天文学家苟利军:给黑洞“画像”的人

中国青年报  |  2022-07-27作者: 孙庆玲

    关于太空,人类有着无尽的好奇,以及问不完的问题。7月24日,“问天·求索”暨“太空请回答——科学探索特别活动”邀请了多位重量级嘉宾——“太空教师”、英雄航天员王亚平,中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远院士,中国航天科技集团五院总体设计部副总设计师黄震,“火药雕刻师”、中国航天科技集团有限公司四院7416厂班组长徐立平,以及来自中国科学院国家天文台的武向平院士、苟利军教授,回答“花式”问题,为大家讲述太空奥秘和故事。

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    “地球会被黑洞吸进去吗?”近日,一位小朋友在“太空请回答——科学探索特别活动”中向苟利军问道。

    苟利军是中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授,还是一位75后“科普达人”。他已记不清回答过多少次这一问题,但乐此不疲。这次,他在国家天文台的办公室里认真录下了这一问题的答案。

    在他办公室的门上,贴着两张A4纸般大小的黑洞吸积示意图。图中的黑洞正用力拖拽着捕获到的时空向下旋转,划出的光带汇集成一个明亮的吸积盘。光最终消失在黑洞的边缘,一切都将不可避免地被拉向黑洞的深处,而拖着“长尾巴”的喷流有些侥幸,正在以近乎光速的速度逃窜。

    有科学家估测,在银河系中,除了位于中心的超大质量黑洞之外,约有上亿个恒星级别黑洞。目前,天文界探测到的恒星级别的黑洞数量不足100个——而这些便是苟利军的研究对象,测量黑洞的基本参数,用数据来说明黑洞的观测特征,描述黑洞的存在形式,用他的话来说,好比在给黑洞“画像”。

    “画像”的关键,在于测量黑洞的质量和自旋速度。

    黑洞是宇宙中最为神秘的天体,又是最简单的天体,与它相关的物理量只有质量、自旋和电荷。若知晓黑洞的质量、自旋速度,便可通过爱因斯坦的相对论物理定律,推断出黑洞的所有性质:大小、引力强度、视界在赤道附近因离心力向外延伸的程度等。

    美国物理学家、电影《星际穿越》科学顾问基普·索恩称,“这很神奇,与我们的日常经验相当不符。这就好像你一旦知道了我的体重和奔跑速度,就能推断出我的一切事情,包括我眼睛的颜色、鼻子的长度和智商这些一样……”

    黑洞的质量并不难测。苟利军告诉中青报·中青网记者,黑洞周围往往存在着伴星或气体以黑洞为中心进行旋转,通过望远镜探测出伴星或气体的旋转速度及其与黑洞的距离,可通过开普勒公式测出黑洞的质量——当然,这只是其中一种方法。

    测量黑洞的自转速度要难得多。以恒星级黑洞为例,伴星通常位于黑洞之外几百万公里的轨道上,而黑洞自转所产生的影响效应仅局限于距离黑洞几百公里的范围内。遗憾的是,目前最先进的望远镜也无法分辨出这么小范围内的变化。

    缠绕在黑洞边缘的吸积盘成为苟利军的一个突破口。理论上讲,不同转速的黑洞会对吸积盘气体的辐射光谱、温度等物理量造成不同影响,比如距离黑洞越近,气体的温度越高,因此可以通过拍摄并且分析光谱来推算黑洞的转速。

    正是用这一被称为“连续谱拟合”的方法,苟利军及其学生和来自澳大利亚、美国的科学家对人类发现的第一个恒星级黑洞“天鹅座X-1”进行了测量,发现这一相当于21倍太阳质量的“庞然大物”正在以至少95%的光速自转。这一发现被刊登于2021年2月19日的顶级期刊《科学》。

    截至目前,天文界精确测量的黑洞共20多个。苟利军及其团队主导测量了其中10多个黑洞的自旋速度,“有的自旋速度接近光速,有的转得非常慢,约为光速的10%”。

    “这看起来是一项细微的工作,但蕴含着拓展科学边界的可能性。”苟利军说,黑洞形成于大质量恒星的坍缩,研究黑洞不仅可以知道黑洞本身的性质,对研究现有的黑洞很重要,更为重要的是可以对黑洞的形成历史作出一个更好的限制。

    尽管研究黑洞已有20多年,但第一次看到电影《星际穿越》中出现的黑洞画面时,大荧幕前的苟利军仍深感震撼。距离该电影上映已近8年,如今聊起影片中的黑洞高清图景,还可感受到苟利军眼中的光,他说自己仍有些心潮澎湃。

    了解到该电影的科学顾问、物理学家基普·索恩还写了一本同名科普书籍《星际穿越》,介绍电影背后的科学故事,苟利军在看完电影的第二天,便毫不犹豫地给基普·索恩写了封邮件,热切希望翻译这本书,并最终得以成行。

    除了自身的兴趣,苟利军翻译该书还夹杂着更多的期待——想借此将天文学这一“冷门”学科,以及自己所研究的这一“小众”课题介绍给更多人,“天文学属于基础学科,若没有基础学科的支撑,社会很难有根本性或颠覆性的创新”。

    就这样,苟利军意外地开启了他的科普之路。

    他翻译了多本天文科普著作,在其中一本书的译后记中写道,希望读者“能够对宇宙神秘天体多一分了解,少一分神秘,从而扩展自己的知识疆域”。

    出于对科普的喜爱,2019年他还兼任了《中国国家天文》杂志的执行主编。说来,苟利军印象中第一次看到“黑洞”一词,便是在一本目前已停刊的杂志《飞碟探索》上,这让他感到新奇。好奇的他去问父亲,对天文了解不多的父亲从字典中找出“黑洞”,努力给他解释。

    现在的他成了向别人“解释”黑洞以及宇宙的人。

    他写了不少传播甚广的科普文章,带读者“透视”科学家拍摄的首张黑洞照片,倾听星辰大海的声音“引力波”。去做科普讲座,他认真回答小朋友提出的“地球会不会被黑洞吸进去”或类似问题。他告诉记者,根据英国《自然》的调查显示,约90%的孩子会对两类事物感兴趣,一类是恐龙,另一类是星空,“对星空的好奇对小孩子来说是非常自然的,要保护好这种好奇心”。

    当然,向他抛来的各式问题不局限于黑洞,苟利军还曾和网友在直播间里讨论“火星上能否种土豆”,有时遇到自己不懂的问题,他回来还会去“补课”。

    “平易近人”“为人谦和”“乐于助人”“耐心随和”,是学生评价苟利军时使用的高频词。贾楠第一次见到苟利军是在7年前的夏天,那天很热,国家天文台某报告厅的空调吐着噗噗的冷气。接近中午,已在那红色座椅上听了一上午讲座的贾楠有些犯困,苟利军及其关于黑洞的报告却让他一下子清醒了。

    具体讲了什么,贾楠已记不清楚,不过苟利军讲座时抑扬顿挫的语调让他印象深刻,“这在他的科普报告中也有体现,他总能用生动有趣的方式把晦涩难懂的物理知识讲解出来”。

    再后来,贾楠成了苟利军的博士生,跟着他做黑洞相关的研究,一起给黑洞“画像”。

    苟利军打过一个比方,如果说科研是创作一幅“工笔画”,科普更像是绘就一幅“写意画”。“科研要求用精准的数据语言来描述黑洞,科普更像是用‘粗线条’来勾勒宇宙的面貌。”他补充道,相同的是,二者都是在“讲故事”。

    这无疑是一个关于宇宙的漫长故事。

    在寻找故事答案的路上,苟利军说积极的心态很重要。对他而言,重要的还有——运动,有学生形容他“跑步就像是吃饭”。他还是国家天文台附近某足球场的“常客”,喜欢在绿茵场上肆意挥洒,他说,科研也如这样一个过程,需要全身心的投入和自由探索。

责任编辑:王国强,邹艳娟