万物｜张双南：来一场“星际穿越”，探索黑洞和引力波的真相

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什么是黑洞？什么是引力波？快速射电暴和外星人有什么关系？12月20日，在北京经济技术开发区举办了一场由天体物理学家、“慧眼”天文卫星首席科学家张双南教授的演讲活动，这场演讲也是《亦庄学院》创院的第一课，以“黑洞与中国慧眼天文卫星”为演讲主题，张双南教授带领观众展开了一场星际穿越，探索黑洞和引力波的真相，也引领观众感受了中国智造的“慧眼”天文卫星的魅力。

讲座现场

张双南教授的演讲是《亦庄学院》创院的第一课，张双南教授是著名天体物理学家、中国科学院高能物理研究所研究员、粒子天体物理重点实验室主任，国家天文台空间科学部首席科学家以及“慧眼”天文卫星首席科学家。本次演讲主题主要聚焦于很多人都耳熟却不能详的物理学奇景，近年来因其研究成果屡获诺贝尔物理学奖而备受关注的——黑洞和引力波。

演讲中，他首先为大家揭示了黑洞的秘密。

“未来几十年上百年的时间里面，人类是能够走出太阳系的”

张双南首先播放了《星际穿越》中男主角穿越黑洞的画面，并介绍了关于黑洞的定义：黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种奇异天体，在其视界内，即使光子也无法逃脱它的引力束缚。它完全不发射和反射任何电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到。1967年美国物理学家约翰·惠勒正式开始使用“黑洞”一词。黑洞是一个密度足够大的天体，其周围的时空结构使得其发出的光也无法逃逸，因此这样的天体是“黑”的。

《星际穿越》中展示的黑洞

黑洞确实存在，且在宇宙中为数众多，可以用多种方式探测到。每个星系都存在几百万个小黑洞，每个星系中心都存在一个超大黑洞。关于黑洞的观测方法，中科院物理所研究员曹则贤曾解释道：“我们知道，黑洞自己的光是逃不出来的，所以不指望能直接观测到它。那么，科学家们只能通过它的行为或者与背景的比照来判断哪个地方有黑洞。首先，一个黑洞可能和另外一个星星组成一个双星系统。这样，通过观测黑洞旁边那颗星星的行为就能判断出旁边是否有大质量的吸引中心，也就是黑洞。另外一个判断依据就是黑洞的引力透镜效应，这就有些像通过镜头的光的路径了。一个黑洞对于远道而来经过它的光可能会有透镜效应。如果观测到这个透镜效应，就可以判断出是否有黑洞存在。这就是所谓的间接观测，因为黑洞不能直接看到(你不可以把黑的区域都归结为存在黑洞），但可以从大范围内的一些行为判断它存在不存在。”

2019年，第一张黑洞的照片问世，黑洞“照片”实际上是用视界望远镜拍摄的黑洞阴影。黑洞有着很强的引力，甚至光也无法逃脱。光线无法逃逸的临界范围称为黑洞半径或“视觉界面”。视觉界面外的物质围绕黑洞旋转，形成明亮的吸积盘。中间有不规则光线的黑洞在明亮的背景下形成“阴影”。

当地时间2019年4月10日，美国华盛顿，“事件视界望远镜”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心资深天文学家谢泼德杜勒曼展示人类史上首张黑洞照片。人民视觉 资料图

黑洞真的完全无法抵达吗？在回答记者提问时，张双南也表示：“关于我们人类能不能去黑洞的问题，现在还不能，现在我们人类自己还没有走出太阳系，所以人类真正的星际旅行还没有开始，但是按照我们人类目前发展的步伐，我们人类进入航天时代只有半个世纪的时间，在短短的时间，我们就从离开地球到了已经人类的活动，人类的活动遍布了太阳系的几乎每个角落。”

“所以在未来，我们相信在几十年上百年的时间里面，人类是能够走出太阳系的，但是我们和黑洞还是要保持距离，距离产生美。有的黑洞是不能去的，你在进入一些黑洞之前老远就会被黑洞的中心引力吸引，被拉成细长的面条，最后被撕碎。有的黑洞是可以去的，比如说《星际穿越》里面选择的相对比较稳定的黑洞。我不建议真的到黑洞里面去，我们还不知道到了里面能不能回来。”张双南说。

中国慧眼天文卫星：活捉黑洞、快递伽玛暴、号脉中子星

2017年6月15日，我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”，这是我国首颗大型X射线天文卫星。它揭示的是宇宙中最惊心动魄的图景：黑洞吞噬被撕裂的星星、脉冲星疯狂旋转、宇宙深处猛烈的爆炸……张双南也幽默地将慧眼卫星的任务总结为：“活捉黑洞、快递伽玛暴、号脉中子星”。

慧眼卫星发射 来源：新华网

这颗卫星全称为硬Ｘ射线调制望远镜，由长征四号乙运载火箭送入550公里近地圆轨道。它将巡视银河系中的X射线源，详细研究黑洞和脉冲星，并监测伽马射线暴，探索利用脉冲星为航天器导航。它被命名为“慧眼”，寓意中国在太空“独具慧眼”，能穿过星际物质的遮挡“看”宇宙中的X射线，也为纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何泽慧。

由于“慧眼”有较大的视场，对银河系巡天是它最重要的使命。“我们预期会发现一些新的黑洞和中子星。”张双南说，尽管其他国家已发射的同类卫星开展过巡天观测，但绝大多数Ｘ射线源都是变源，会不定期发生剧烈的耀发，不是一两次巡天就能发现的，因此“慧眼”将反复开展巡天扫描，及时探测银河系内天体源的耀发。

演讲现场

黑洞能产生Ｘ射线等各种辐射，还有可能产生高能宇宙线以及强烈的喷流。它们究竟在干什么？黑洞有时很“冷静”，有时很“暴躁”。当它“发脾气”时，产生的Ｘ射线流强特别高。国外的卫星适合看“安静”的黑洞，而“慧眼”特别适合看“暴躁”的黑洞和中子星。

慧眼卫星对于我们人类未来的影响是什么？张双南说：“简单来说就是对于宇宙的现象，让大家的认识更加丰富，大家的谈资多一点；从性质来讲，我们在慧眼卫星当中还有一些新的技术，这些技术在工业当中有一些使用，只是我们感觉不到而已。最长远来讲，它可能会把我们整个人类带向宇宙，希望我们未来可以做到。”

双中子星合并的艺术效果图  人民视觉资料图

相关介绍：关于《亦庄学院》

《亦庄学院》是由北京经济技术开发区宣传文化部主办，尚亦城（北京）科技文化集团有限公司和北京实力电传文化发展股份有限公司承办的中国首个科技前沿新知系列讲座活动，该系列活动定位为聚焦全球前沿科技普及、前沿产品发布，主打科技创新、产业创新的大型科技前沿新知系列讲座，是北京经开区作为高新科技集聚高地推出的传播科技前沿新知的品牌文化活动。

北京经开区有关负责人介绍称，活动的命名是对古希腊哲学家柏拉图建立的“希腊学院”的致敬。创新文化对于经开区文化特质的形成具有重要意义，为了在亦庄新城乃至全市范围内营造创新文化氛围，活动每年都将在全球范围内精选并邀请处于当今世界科技前沿的顶级科学家担任主讲嘉宾，举办系列讲座，以传播全球前沿科技新知为宗旨，让公众在享受由科技新知带来的乐趣的同时，提升科学素养。负责人同时表示，这是系列讲座，以后还会有很多高质量不同前沿科技领域的讲座，《亦庄学院》将为北京打造创新文化做出“亦庄贡献”。