□ 采訪 / 本刊編輯 整理 / 劉富坤（北京大學(xué)天文系教授）

天文學(xué)家談“黑洞的行與蹤”

□ 采訪 / 本刊編輯 整理 / 劉富坤（北京大學(xué)天文系教授）

國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)第312次專(zhuān)題研討會(huì)部分參會(huì)者合影

2014年8月25～29日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)第312次專(zhuān)題研討會(huì)，在北京中國(guó)科學(xué)院圖書(shū)館舉行，此次專(zhuān)題研討會(huì)的主題是“星系中的星團(tuán)和黑洞”，來(lái)自世界22個(gè)國(guó)家的150多名天文研究人員參加。會(huì)議期間，科研人員展示研究成果、交流不同見(jiàn)解、提出疑難問(wèn)題、尋求合作研究。借此機(jī)會(huì)，本刊記者采訪了六位國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者，通過(guò)他們的講述，我們可以了解有關(guān)神秘天體黑洞的許多問(wèn)題。

1.關(guān)于此次專(zhuān)題研討會(huì)

據(jù)大會(huì)主席劉富坤教授和萊恩納爾·施普爾策姆研究員介紹，目前，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)有會(huì)員約10000名，來(lái)自95個(gè)國(guó)家和地區(qū)，他們絕大多數(shù)是專(zhuān)業(yè)天文學(xué)者。國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)每三年舉辦一次“國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)大會(huì)”（General Assembly），討論和決定許多公眾關(guān)心的天文問(wèn)題，例如，行星或其他天體的命名等。上一屆國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)“大會(huì)”于2012年8月在北京召開(kāi)，國(guó)家主席習(xí)近平做了開(kāi)幕講話。除了國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)“大會(huì)”外，根據(jù)自己的辦會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)每年也授權(quán)和支持召開(kāi)幾次不同天文學(xué)分支的“國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)”。本次國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)第312次專(zhuān)題研討會(huì)就是2014年度此類(lèi)會(huì)議之一。

2.星系并合與大質(zhì)量黑洞的成雙成對(duì)

北京大學(xué)天文系主任，劉富坤教授

劉富坤教授：

中國(guó)天文學(xué)家，北京大學(xué)天文系主任，在意大利國(guó)際高等研究生院（SISSA）獲得博士學(xué)位，瑞典歌德堡大學(xué)阿布拉莫維奇教授指導(dǎo)下的瑞典皇家自然科學(xué)基金博士后；主要從事大質(zhì)量黑洞及其宇宙學(xué)演化、活動(dòng)星系核、相對(duì)論天體物理和引力波天體物理的研究。發(fā)現(xiàn)了普通星系中的大質(zhì)量雙黑洞，提出了目前唯一的探測(cè)普通星系中大質(zhì)量雙黑洞的方法。研究成果之一曾入選2011年度中國(guó)十大天文科技進(jìn)展。

Q1天文愛(ài)好者對(duì)于“黑洞”并不陌生，從20世紀(jì)60年代類(lèi)星體發(fā)現(xiàn)至今，天文學(xué)家一直告訴我們，類(lèi)星體以及普通星系中心只有一個(gè)大質(zhì)量黑洞，如今，您指出在那里黑洞其實(shí)是普遍成對(duì)存在的。請(qǐng)你談?wù)劄槭裁矗?/p>

A 宇宙通過(guò)大爆炸形成不久，在冷暗物質(zhì)的主導(dǎo)下形成暗物質(zhì)團(tuán)塊和星系。隨后這些暗物質(zhì)團(tuán)塊和星系在萬(wàn)有引力的作用下不斷兩兩靠近并最終融合成一個(gè)新的更大的暗物質(zhì)團(tuán)塊和星系。我們今天觀測(cè)到的所有正常星系——包括我們的銀河系都是以前較小星系通過(guò)多次星系間的融合形成的。在星系兩兩融合形成更大星系的過(guò)程中，位于原星系中的大質(zhì)量黑洞必然在融合形成的星系中成雙成對(duì)。

宇宙中正在相互并合的兩個(gè)星系

Q2即使在活動(dòng)星系中，探測(cè)黑洞也是極端困難的，我想對(duì)其中雙黑洞的觀測(cè)則會(huì)難上加難。天文學(xué)家是如何觀測(cè)活動(dòng)星系中的雙黑洞的？

A

如果兩個(gè)黑洞周?chē)嬖诖罅康臍怏w，則黑洞會(huì)通過(guò)萬(wàn)有引力吸引和吞食這些氣體。這些氣體在被黑洞吞食的過(guò)程中會(huì)互相摩擦而發(fā)熱發(fā)光，形成明亮的活動(dòng)黑洞對(duì)。這類(lèi)雙黑洞如果兩者相距很遠(yuǎn)、同時(shí)離我們很近，那么我們可以用高空間分辨率的望遠(yuǎn)鏡直接成像觀測(cè)。然而，如果兩個(gè)黑洞已經(jīng)互相靠得很近或離開(kāi)我們太遙遠(yuǎn)，則望遠(yuǎn)鏡無(wú)法進(jìn)行成像觀測(cè)。此時(shí)天文學(xué)家設(shè)法觀測(cè)雙黑洞在氣體引力吸引過(guò)程中產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象，例如，雙黑洞所產(chǎn)生的明亮光會(huì)隨雙黑洞軌道運(yùn)動(dòng)而周期性地明暗變化。

星系中心正在吞噬恒星的雙黑洞（美術(shù)概念圖）

Q3宇宙中普通星系比活動(dòng)星系多得多，普通星系中心是否也存在雙黑洞？多年來(lái)世界上幾乎沒(méi)有天文學(xué)家能夠敏銳地思考這一問(wèn)題，您卻在此取得了舉世矚目的成就，請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下您的研究情況。

A

普通星系中是否存在大質(zhì)量雙黑洞？可以說(shuō)是長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的極端挑戰(zhàn)性的難題。2006年起，我的研究組在世界上率先對(duì)這一問(wèn)題從理論上展開(kāi)研究，于2009年取得關(guān)鍵性突破，從理論上預(yù)言了普通星系中雙黑洞的關(guān)鍵性觀測(cè)特征。今年4月，我和我的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上發(fā)表論文宣布，利用歐空局(ESA)XMM-Newton衛(wèi)星的X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)在普通星系中發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量雙黑洞，同時(shí)也驗(yàn)證了我們2009年預(yù)言的觀測(cè)特征。這一發(fā)現(xiàn)被國(guó)際同行評(píng)價(jià)為屬于那類(lèi)改變我們宇宙觀、開(kāi)啟全新天文研究新方向的發(fā)現(xiàn)。歐空局(ESA)以及隨后的美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）以及《自然》雜志都為這一發(fā)現(xiàn)作了新聞專(zhuān)題報(bào)道。德國(guó)馬普協(xié)會(huì)、意大利國(guó)家天體物理研究所、我國(guó)的《科學(xué)時(shí)報(bào)》等國(guó)內(nèi)外天文研究機(jī)構(gòu)或新聞媒體用近四十種文字作了新聞報(bào)道。

3.關(guān)于黑洞與星團(tuán)

萊恩納爾·施普爾策姆（Rainer Spurzem）研究員：

德國(guó)人，升大學(xué)時(shí)，曾經(jīng)為學(xué)習(xí)漢語(yǔ)還是物理猶豫不決；最終，他決定通過(guò)在20世紀(jì)80年代多次背包游中國(guó)來(lái)學(xué)習(xí)漢語(yǔ)，而以物理學(xué)和天文學(xué)為專(zhuān)業(yè)在德國(guó)哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)。2009年他來(lái)到中國(guó)工作，目前他是中科院國(guó)家天文臺(tái)的研究員、國(guó)家“外專(zhuān)千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家，國(guó)家天文臺(tái)“絲綢之路計(jì)劃”和“老虎”（Tiger）超級(jí)計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，是擁有此職位的唯一一位外國(guó)專(zhuān)家。他也是德國(guó)海德堡大學(xué)研究所和北京大學(xué)科維理天文和天體物理研究所的兼職教授。

中科院國(guó)家天文臺(tái)萊恩納爾·施普爾策姆研究員

Q1黑洞作為一個(gè)非常特別的天體，面對(duì)它天文學(xué)家起初也是束手無(wú)策，知之甚少。而普通公眾對(duì)“黑洞”卻興趣濃厚，請(qǐng)您簡(jiǎn)單介紹一下，黑洞為何物？

A

黑洞是極端致密的“黑”天體，這里的“黑”是指它不發(fā)射任何電磁波，因而不易被人們發(fā)現(xiàn)。它是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言的天體。最近幾十年，天文學(xué)家獲得了關(guān)于黑洞的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有些黑洞質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng)，而另外一些黑洞——特別是距離地球非常遙遠(yuǎn)的，其質(zhì)量往往是數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍太陽(yáng)大小。對(duì)于這樣極端質(zhì)量的天體，人們會(huì)以為，在它的強(qiáng)大引力作用下，處在其周?chē)奶祗w會(huì)被吸引直至被摧毀。其實(shí)不然，那些恒星、行星及星際氣體可以通過(guò)繞著這些怪獸——黑洞高速運(yùn)轉(zhuǎn)而穩(wěn)定存在，至少可以存在很長(zhǎng)一段時(shí)間。這有些像月球和人造衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)而不降落的情形。到目前還沒(méi)有科學(xué)家直接“看見(jiàn)”黑洞，當(dāng)然不發(fā)射電磁波的“黑色”天體無(wú)法被看見(jiàn)。但是天文學(xué)家在星系核附近觀測(cè)到了高速運(yùn)轉(zhuǎn)的恒星和星際氣體，速度可高達(dá)1000千米/秒，這是天文學(xué)家尋找黑洞的關(guān)鍵方法之一。天文學(xué)家還希望，在不遠(yuǎn)的將來(lái)通過(guò)直接探測(cè)引力波來(lái)“聽(tīng)”見(jiàn)黑洞。

金牛座中的疏散星團(tuán)昴星團(tuán)

Q2對(duì)于天文愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，最熟悉的星團(tuán)可能是卯星團(tuán)，它位于金牛座，其中最亮的七顆恒星被稱(chēng)為“七姐妹星”，關(guān)于星團(tuán)的科學(xué)問(wèn)題是這次專(zhuān)題研討會(huì)的主題之一，請(qǐng)您說(shuō)一說(shuō)星團(tuán)的物理屬性？

A

在黑洞附近和星系外圍（星系暈）常?？梢园l(fā)現(xiàn)星團(tuán)，它們一般包含數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)顆恒星。其中心區(qū)域的恒星密度比太陽(yáng)系附近恒星密度高百萬(wàn)倍。如果我們居住在那里的一顆行星上，那么夜空將會(huì)因?yàn)轶@人密集的繁星而明亮如晝。引力是維持星團(tuán)中大量恒星聚集在一起且穩(wěn)定存在的關(guān)鍵因素，這如同引力使得太陽(yáng)系各個(gè)天體有條不紊地運(yùn)動(dòng)，并保持太陽(yáng)系的穩(wěn)定存在一樣。然而兩者之間也存在根本性區(qū)別：太陽(yáng)系恒星繞太陽(yáng)作長(zhǎng)期穩(wěn)定的近乎圓形的軌道運(yùn)動(dòng)，而星團(tuán)中的恒星運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)且沒(méi)有固定軌道的，它們相互之間不斷發(fā)生時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的引力碰撞。但整體上，恒星星團(tuán)也是非常穩(wěn)定的。恒星星團(tuán)乍看之下只是幾十萬(wàn)顆不斷運(yùn)動(dòng)的恒星而讓人乏味，但是星團(tuán)中的恒星不斷演化成白矮星、中子星或黑洞。不同尋常的是，恒星的這些“遺體”可以捕獲其他恒星，或者從其他恒星中撕下部分氣體甚至將其毀滅，它們就是通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的災(zāi)變變星，或者X射線雙星。

Q3對(duì)于黑洞和星團(tuán)，除了利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)之外，我們還有沒(méi)有其他研究方法？

A 對(duì)天文學(xué)和天體物理學(xué)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究工具，可以說(shuō)與望遠(yuǎn)鏡一樣重要。這次專(zhuān)題研討會(huì)中就有不少關(guān)于恒星、黑洞、星團(tuán)以及它們之間的相互作用的計(jì)算機(jī)模擬的成果報(bào)道。天文學(xué)家通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可以在很短時(shí)間內(nèi)——在數(shù)天或者數(shù)周之內(nèi)模擬完成一個(gè)星團(tuán)數(shù)百萬(wàn)年的演化。對(duì)于黑暗而無(wú)法直接觀測(cè)的天體，如黑洞，數(shù)值模擬可以研究它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)、如何通過(guò)吸積氣體和恒星而成長(zhǎng)。要數(shù)值模擬包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)由恒星和黑洞等天體組成的星團(tuán)，我們需要最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在這方面中國(guó)已成為世界領(lǐng)先國(guó)家之一，中國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河-1A”和“天河-2”發(fā)揮了重要作用。中科院國(guó)家天文臺(tái)的“老虎”計(jì)算機(jī)雖然計(jì)算速度略遜于前兩者，但是它只用于天文學(xué)研究。這次會(huì)議上，“絲綢之路計(jì)劃”成員匯報(bào)了用它模擬研究超大質(zhì)量黑洞演化、它們的引力波輻射以及它們對(duì)恒星的撕裂和吞噬等成果。

球狀星團(tuán)梅西葉天體M68

4.黑洞吞食周?chē)奈镔|(zhì)

瑪瑞克·阿布拉莫維奇（Marek Abramowicz）教授：

波蘭人，華沙大學(xué)理論物理學(xué)博士，斯坦福大學(xué)博士后；他在包括牛津大學(xué)、意大利的里雅斯特的SISSA、華沙哥白尼研究中心等在內(nèi)的世界著名大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)工作過(guò)。研究領(lǐng)域包括廣義相對(duì)論、黑洞及中子星理論，特別是黑洞吸積盤(pán)理論。同合作者一起，建立了著名的吸積盤(pán)“細(xì)盤(pán)(Slim disk)”模型，該模型現(xiàn)已成為我們理解大質(zhì)量黑洞形成和宇宙成長(zhǎng)史的標(biāo)準(zhǔn)模型；與美國(guó)哈佛大學(xué)的Narayan教授一道，是黑洞“平移主導(dǎo)吸積流”模型的共同發(fā)現(xiàn)人，該模型已是我們認(rèn)識(shí)銀河系中心黑洞輻射的基礎(chǔ)；他是目前最流行的、解釋銀河系內(nèi)恒星大小黑洞中出現(xiàn)的X-射線準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象模型的提出者。阿布拉莫維奇教授培養(yǎng)的第一個(gè)博士研究生是中國(guó)人，就是廈門(mén)大學(xué)天文系的盧炬甫教授。有意思的是，阿布拉莫維奇教授正在培養(yǎng)的也是一位中國(guó)學(xué)生。

阿布拉莫維奇教授（前排左三）和他的中國(guó)朋友在一起，前排右三為廈門(mén)大學(xué)盧炬甫教授，前排左一為北京大學(xué)劉富坤教授

最初，黑洞僅僅是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)言；如今，黑洞成為了天文學(xué)家和物理學(xué)家的熱門(mén)研究對(duì)象，科學(xué)家們是如何研究黑洞的？

A

黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論最引人注目的一個(gè)理論預(yù)言。它異常奇特的特性總是使科學(xué)家以及科學(xué)愛(ài)好者對(duì)其浮想聯(lián)翩。起初，黑洞只是以一種怪誕的理論想法而存在著。對(duì)它的模型研究也僅僅出于一種數(shù)學(xué)興趣，而對(duì)于它的真實(shí)存在性多數(shù)人都持懷疑態(tài)度，包括愛(ài)因斯坦本人。然而，到了20世紀(jì)后半葉，情況發(fā)生了改變。此時(shí)毫無(wú)爭(zhēng)議和明確的觀測(cè)證據(jù)表明，在銀河系及許多其他星系中確實(shí)存在著可以斷定為“黑洞”的天體。目前，科學(xué)家主要發(fā)現(xiàn)了兩種類(lèi)型黑洞：一類(lèi)黑洞的質(zhì)量達(dá)數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量，位于銀河系或者其他星系的中心，它們中的部分成員是穩(wěn)定且強(qiáng)大的宇宙能量發(fā)射源。這類(lèi)黑洞往往被觀測(cè)為類(lèi)星體或者其他超大質(zhì)量天體，它們被統(tǒng)稱(chēng)為活動(dòng)星系核。另一類(lèi)黑洞僅有約10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量大，它們的行為象小個(gè)頭的類(lèi)星體，常常被稱(chēng)為微類(lèi)星體或恒星級(jí)黑洞。天文學(xué)家在銀河系中發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)這樣的天體，它們都是以X射線雙星的成員出現(xiàn)的。

Q2現(xiàn)在，黑洞作為一類(lèi)天體，研究它不再只是科學(xué)家的空洞數(shù)學(xué)推演，而是從理論和觀測(cè)兩方面進(jìn)行。請(qǐng)介紹一下目前黑洞吞食物質(zhì)研究的關(guān)鍵點(diǎn)和現(xiàn)狀？

A

從天文學(xué)來(lái)講，類(lèi)星體和微類(lèi)星體盡管不能與黑洞畫(huà)等號(hào)，但是它們與黑洞密切相關(guān)，研究它們實(shí)質(zhì)上是在研究黑洞問(wèn)題。從它們被發(fā)現(xiàn)的那一天起，就一直是天體物理領(lǐng)域最吸引人的兩類(lèi)天體。黑洞吸積盤(pán)理論的最終目標(biāo)是解釋它們的觀測(cè)特性，而其中的關(guān)鍵性問(wèn)題是如何解釋被黑洞吸引的氣體物質(zhì)之間為什么會(huì)存在強(qiáng)大的摩擦。這些氣體物質(zhì)在互相摩擦及黑洞引力的雙重作用下快速流向黑洞中心，并在這過(guò)程中將黑洞強(qiáng)大的引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成光輻射能，形成宇宙中的明亮燈塔——類(lèi)星體?，F(xiàn)在普遍接受的一個(gè)觀點(diǎn)是，磁場(chǎng)在其中扮演了決定性角色。地球大氣中存在磁場(chǎng)，太陽(yáng)上存在磁場(chǎng)，宇宙空間中的氣體中也存在磁場(chǎng)，而被黑洞吸引的氣體物質(zhì)中也同樣如此。磁場(chǎng)在隨氣體物質(zhì)被黑洞吸引而流向黑洞的過(guò)程中，它們會(huì)被不斷放大，就像發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)被放大一樣。被放大的磁場(chǎng)會(huì)和氣體物質(zhì)發(fā)生糾纏，這樣的糾纏發(fā)生在地球磁場(chǎng)和來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子之間時(shí)就形成我們看到的絢麗多彩的極光。氣體與磁場(chǎng)之間的大面積糾纏就使氣體物質(zhì)之間產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦并將引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成光輻射能。我們所有的這些理解和知識(shí)都來(lái)自超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)黑洞吸積過(guò)程的數(shù)值模擬。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的來(lái)自活動(dòng)星系M87的5000ly長(zhǎng)的噴流

關(guān)于黑洞吸積過(guò)程的數(shù)值模擬圖

5.大質(zhì)量黑洞可以毀滅恒星

德國(guó)天文學(xué)家斯蒂芬妮·科莫薩（Stefanie Komossa）研究員

斯蒂芬妮·科莫薩（Stefanie Komossa）研究員：

德國(guó)人，就職于德國(guó)馬克斯-普朗克射電天文研究所。她過(guò)去曾頻繁訪問(wèn)中科院國(guó)家天文臺(tái)，目前仍與中國(guó)天文學(xué)家和世界其他國(guó)家的天文學(xué)家進(jìn)行合作研究。主要研究領(lǐng)域?yàn)樾窍岛痛筚|(zhì)量黑洞及其宇宙學(xué)演化。她的科學(xué)發(fā)現(xiàn)包括探測(cè)到首例恒星被黑洞潮汐撕裂和吞噬的事件、發(fā)現(xiàn)第一例吸積中的大質(zhì)量雙黑洞等天文現(xiàn)象。已發(fā)表論文約300篇，曾獲德國(guó)天文學(xué)會(huì)年度研究獎(jiǎng)。

Q1斯蒂芬妮女士，大質(zhì)量黑洞可以毀滅恒星，請(qǐng)您講一講是怎么回事？

A 許多星系的中心都藏匿著大質(zhì)量黑洞。距離這些黑洞非常近的地方，它們的引力潮汐力是如此之大，以至于可以將那里的恒星撕得粉碎。其實(shí)，地球上海水的潮起潮落同樣是月球與太陽(yáng)的潮汐引力造成的。在星系的核心區(qū)域，絕大多數(shù)恒星都位于遠(yuǎn)離黑洞的安全距離。然而，偶爾也會(huì)有個(gè)別恒星運(yùn)動(dòng)到過(guò)于靠近黑洞的地方，此時(shí)它就被判了死刑：黑洞潮汐力會(huì)將它撕碎，然后大多數(shù)的恒星碎片將落向黑洞并形成一個(gè)短暫存在的吸積盤(pán)。這些恒星物質(zhì)被極度加熱，形成一個(gè)高能電磁輻射耀斑。最后恒星物質(zhì)永久地消失在黑洞里，完成黑洞對(duì)恒星的毀滅和吞噬過(guò)程。

Q2黑洞毀滅恒星這一現(xiàn)象對(duì)我們研究黑洞有何幫助？這種現(xiàn)象可以經(jīng)常被觀測(cè)到嗎？

A

黑洞潮汐吞噬恒星事件，一方面為天文學(xué)家研究大質(zhì)量黑洞附近的極端物理過(guò)程提供了新機(jī)會(huì)，另一方面，這些極亮輻射耀斑也是這些遙遠(yuǎn)寧?kù)o黑洞存在的標(biāo)志，不然的話，它們會(huì)永遠(yuǎn)保持不可見(jiàn)狀態(tài)而不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。黑洞毀滅恒星事件發(fā)生率極低，一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)星系大約每1萬(wàn)年會(huì)發(fā)生一次。不過(guò)，如果我們觀測(cè)足夠多的星系，每年也可以觀測(cè)到幾次這種事件。確實(shí)，20世紀(jì)90年代，當(dāng)倫琴衛(wèi)星（ROSAT）在X射線波段對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行掃描觀測(cè)時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了幾次黑洞毀滅恒星產(chǎn)生的極亮輻射閃耀現(xiàn)象。

黑洞撕裂并吞噬恒星（美術(shù)圖）

Q3黑洞毀滅恒星事件有哪些最新的觀測(cè)成果？

歐空局發(fā)射的牛頓X射線空間望遠(yuǎn)鏡（XMM-Newton）

A

目前，歐空局發(fā)射的牛頓X射線空間望遠(yuǎn)鏡（XMMNewton）正在系統(tǒng)地搜索這種恒星毀滅事件，我是這個(gè)團(tuán)隊(duì)的成員之一。目前新發(fā)現(xiàn)了10個(gè)左右來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的閃耀事件，它們?cè)赬射線波段達(dá)到極高亮度，然后在幾個(gè)月到幾年的時(shí)間內(nèi)逐漸暗淡下去。美國(guó)的雨燕衛(wèi)星（Swift）也有驚人的發(fā)現(xiàn)。它探測(cè)到伴有高能伽馬射線輻射的兩個(gè)恒星毀滅事件，而且在射電波段的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，它們還伴隨著物質(zhì)粒子的噴射，這是之前的此類(lèi)事件所沒(méi)有的。不僅空間望遠(yuǎn)鏡，地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡最近也有新的發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)家觀測(cè)到事件“光回聲”，也就是在閃耀X射線的照射下，宿主星系中的氣體物質(zhì)回應(yīng)性地發(fā)出很強(qiáng)的氦、鐵等原子譜線。

6.引力波與黑洞等致密天體

馬修·貝納奎斯塔（Matthew Benacquista）教授：

馬修·貝納奎斯塔就職于美國(guó)布朗斯威爾的德克薩斯大學(xué)，是引力波天文學(xué)中心的教授，主要研究作為引力波源的致密雙星系統(tǒng)。曾出版教材《單星和雙星演化入門(mén)》。

馬修·貝納奎斯塔（Matthew Benacquista）教授

Q1科學(xué)家至今沒(méi)有明確探測(cè)到引力波，普通公眾更是覺(jué)得引力波神秘莫測(cè)，請(qǐng)您簡(jiǎn)單介紹一下引力波的特性？

A

引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的科學(xué)推測(cè)，是時(shí)空的一種波動(dòng)，它們能使慣性物體之間的距離產(chǎn)生小幅變化。黑洞等雙星系統(tǒng)是產(chǎn)生引力波的源之一。在這類(lèi)引力波輻射中，引力波的強(qiáng)度隨恒星的質(zhì)量和它們相互繞轉(zhuǎn)的頻率增大而增加，因此處于近距離軌道繞轉(zhuǎn)的黑洞、中子星和白矮星雙星就是強(qiáng)引力波發(fā)射源。一般說(shuō)來(lái)，這類(lèi)天體在電磁波段非常暗弱而難以被觀測(cè)到。引力波帶走能量和角動(dòng)量，使得雙星系統(tǒng)中的兩顆星距離越來(lái)越近，繞轉(zhuǎn)頻率不斷升高，最終兩顆星走到一起，發(fā)生并合。對(duì)于黑洞和中子星來(lái)說(shuō)，當(dāng)它們并合時(shí)，繞轉(zhuǎn)的頻率大約100～1000赫茲。對(duì)于許多星系中心的大質(zhì)量黑洞來(lái)說(shuō)，它們的并合發(fā)生在繞轉(zhuǎn)頻率低于1毫赫茲時(shí)。

Q2 如今科學(xué)家是如何測(cè)量引力波的？

未來(lái)的引力波設(shè)備eLISA的空間結(jié)構(gòu)示意圖，中間黃色圓點(diǎn)為太陽(yáng)，周?chē)篆h(huán)線為地球軌道，三角的三個(gè)頂點(diǎn)為設(shè)備部分

A

我們可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體的距離變化來(lái)探測(cè)引力波，當(dāng)剔除除引力波之外的所有其他已知原因引起的距離變化后，余下的距離變化就是引力波的穿越造成的。激光干涉技術(shù)是測(cè)量微小距離變化的一個(gè)最有效手段。目前，全世界正在建造一個(gè)千米尺度的激光干涉儀網(wǎng)，用于探測(cè)因恒星大小黑洞或中子星合并而產(chǎn)生的引力波。這些激光干涉儀中最大的是位于美國(guó)的4千米的LIGO探測(cè)器和位于意大利的3千米的Virgo探測(cè)器。這個(gè)引力波探測(cè)網(wǎng)將于2015年建成并開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，于2020年結(jié)束。另外，歐空局計(jì)劃于2034年發(fā)射一個(gè)被稱(chēng)為eLISA的空間引力波激光探測(cè)器，它的基線跨度達(dá)數(shù)百萬(wàn)千米。美國(guó)、中國(guó)和日本都在考慮或布置此類(lèi)探測(cè)器，或在eLISA中承擔(dān)一部分任務(wù)。

7.射電方法研究黑洞

羅恩·?？藸査梗≧on Ekers）教授：

澳大利亞人，澳大利亞國(guó)家科學(xué)與工業(yè)研究組織（ CSIRO）委員，該組織國(guó)家望遠(yuǎn)鏡設(shè)備部主任。曾在加州理工學(xué)院、劍橋大學(xué)、荷蘭格羅寧根大學(xué)及美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)工作。曾任美國(guó)甚大陣（VLA）主任、國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)主席（2003-2006），澳大利亞科學(xué)院院士，荷蘭皇家科學(xué)院院士。由于對(duì)射電天文學(xué)的創(chuàng)新性巨大貢獻(xiàn)，被國(guó)際射電科學(xué)聯(lián)合會(huì)授予2014年格羅特·雷伯獎(jiǎng)，此次國(guó)際射電科學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)頒獎(jiǎng)活動(dòng)在中國(guó)北京舉行。

羅恩·埃克爾斯（Ron Ekers）教授

Q1?？藸査菇淌?，您主要從事實(shí)測(cè)射電天文學(xué)研究，請(qǐng)你講一講射電觀測(cè)在黑洞研究方面的作用？

“脈沖星計(jì)時(shí)陣”中的澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡（Parkes Radio Telescope），用于探測(cè)引力波

A 現(xiàn)在，我們知道，活動(dòng)星系核（或者說(shuō)類(lèi)星體）是中心寄居著不斷從周?chē)h(huán)境吸積物質(zhì)的大質(zhì)量黑洞的星系。正是第一個(gè)類(lèi)星體——射電源3C273的發(fā)現(xiàn)，使得天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到星系核所起的關(guān)鍵性作用，意識(shí)到黑洞的存在使星系核在狹小體積內(nèi)釋放強(qiáng)大能量成為可能。射電觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)了黑洞吸積盤(pán)的噴流。這些粒子噴流可以伸展很長(zhǎng)很長(zhǎng)的距離。在許多射電星系中，觀測(cè)到噴流方向的改變，表明噴流軸發(fā)生了進(jìn)動(dòng)或方向的突然改變，而這正是星系并合所期待的。不僅如此，射電水脈澤的觀測(cè)可以比較精確地估算某些星系，如星系NGC4258中黑洞的質(zhì)量；采用射電觀測(cè)的所謂“脈沖星計(jì)時(shí)陣”是探測(cè)引力波的新方法之一，該方法利用脈沖星脈沖的穩(wěn)定性，通過(guò)精確測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)間的周期性變化來(lái)探測(cè)引力波，這對(duì)研究大質(zhì)量黑洞等致密天體以及引力波天體物理等意義重大?？梢?jiàn)，射電觀測(cè)在黑洞研究中起著非常重要的作用。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）