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感受黑洞的真实样子

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发表于 2019-4-11 19:33:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
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 楼主| 发表于 2019-4-11 19:36:32 | 显示全部楼层
片中是“黑洞”还是“煤球”?就此,文科生们和理科生们展开了轰轰烈烈的讨(想)论(象)。

实际上,黑洞,作为宇宙中的当红“大咖”,天文学界、物理学界的“宠儿”?自20世纪开始,人类对黑洞的探秘就从未停止过。

那么,黑洞究竟是什么?黑洞是怎么诞生的?黑洞与暗物质是一回事吗?如何给黑洞拍照片?人类研究黑洞的意义何在?

对此,我们请来华南理工大学物理与光电学院最熟悉黑洞的两位专家,一起揭开黑洞照片背后的秘密。
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 楼主| 发表于 2019-4-11 19:36:40 | 显示全部楼层
研究方向:主要从事核天体物理及致密物质物态的研究,特别是对中子星等致密天体的性质和结构有较深入的研究。
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 楼主| 发表于 2019-4-11 19:36:52 | 显示全部楼层
【答疑解惑】

Q1:什么是黑洞?

张向东:黑洞,是指任何东西,甚至是我们已知运动速度最快的光线都不能逃脱其引力控制的区域。我们能够看到一个物体的颜色,是因为它能反射光,而黑洞把光线都吸收了,于是就形成了这个宇宙空间最纯粹的“黑”。

Q2:黑洞是如何产生的?

张向东:黑洞之形成,关键在于其强大的引力。对于地球上的物体,当质量足够轻、速度足够快时,就可以摆脱引力逃离地球。而当某种星体的引力强大到,无论发射任何物体甚至是光线也无法逃逸时,黑洞就产生了。

比如恒星这种大质量的天体,在其生命的晚期由于引力作用会发生塌缩。那么一颗质量和太阳相同的恒星,当其坍缩到半径3公里左右的时候,引力就会变得极其强大,形成使得光线都无法逃脱的黑洞。

Q3:黑洞=超大质量、小体积的物体?

文德华:黑洞不能简单理解为质量特别大、密度很高的物体,它也可能质量很小或密度很低。可以想象一下,一个外力把地球压缩到玻璃球一般大小,虽然质量远远小于恒星,但引力却非常大,也有可能形成黑洞。

因此以质量为参照,黑洞可以划分为四类:比恒星质量小的黑洞,恒星级黑洞(质量与恒星相当或者是其几倍),中等质量黑洞(恒星质量的上百或上万倍),超大质量黑洞(恒星质量的上亿倍)。

超大质量黑洞可能存在于每一个星系中,这也是为什么我们银河系等星系能形成如此稳定的系统,那是因为在银河系中心存在一个巨大的黑洞,它吸引着上亿颗恒星,让其围绕着银河系中心运转。

Q4:黑洞和暗物质是同一种东西吗?

文德华:不是一回事。黑洞是天体,而暗物质是一种物质的总称。两者都不会反射光线,无法用电磁波(光)无法探测到它们。但我们可以根据暗物质扭曲时空而造成的“引力透镜”效应推断出暗物质的存在。

Q5:在此之前,人们真的没有拍到过黑洞的照片吗?

张向东:在此之前,人类并没有在真正意义上拍摄过黑洞的照片,电影《星际穿越》中有一张非常震撼的照片,是因引力波探测获得诺贝尔奖的基普·索恩带领团队耗费一年时间模拟出来的。这也是学界公认的通过理论计算得到的最真实的黑洞图像。

因此,此次首张真实拍摄到的黑洞照片才能引起如此大的关注。

Q6:但是连光线都无法逃逸黑洞,那又如何给它拍照片?

张向东:霍金曾提出过一个非常形象的比喻,在一个晚会上,男生都穿黑衣服,女生穿白衣服,男女两两配对跳舞,当把现场的所有灯都熄灭后,我们要如何找到男生所在呢?这时由于穿白衣的女生环绕着男生在转圈,这时候你就知道那里有个男生在跳舞。

给黑洞拍照的原理正是如此。黑洞本身不可见,但借助围绕黑洞周边的吸积盘效应就可能被观测到。在强大的引力作用下,黑洞周围会环绕着许多物质,物质旋转陷入黑洞时会发光发热(产生电磁辐射),通过观测这些物质运行的轨道就可以推算黑洞的位置和大小。

Q7:这一次全球六地合作拍摄黑洞照片,难点在什么地方?

文德华:类似于拍照时使用的单反镜头,其口径越大,分辨率越高。本次观测超大质量的黑洞主要是联合全球多个射电天文台的观测仪器,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜,借助这个超大望远镜直接观测黑洞边缘的图像,这在之前是很难做到的。

在各地获取完数据后,最后做等效的数据分析以还原完整的黑洞图像,也是一大难点。

Q8:人类研究黑洞的意义何在?

文德华、张向东:黑洞隐含了物理学最基础知识之一的引力,尽管目前广义相对论作为引力研究中一个较好的理论,但它还不是终极理论。而黑洞相当于为我们研究引力提供了一个天然的“实验室”。

从理论和实践的角度来看,黑洞其实是一个综合体,它囊括了基本已知的所有物理学的知识。比如黑洞上面引力场足够强,甚至可以宏观尺度上体现出其量子效应。再比如黑洞熵公式与引力常数有关,综合了引力物理知识;与光速有关,综合了狭义相对论知识;跟玻尔兹曼常数有关,又综合了统计力学。

特别重要的是,去年诺贝尔奖授予了引力波的发现者,引力波的研究是下一代物理学的重要研究方向之一。而有关黑洞领域的发展对基础物理和引力波的研究都有深远影响。

Q9:能否介绍下您目前相关的研究成果?

张向东:目前对于黑洞的研究,尚属于我校理论物理专业教师在引力学领域的一个细分研究方向。包括我和文老师都是主要做理论物理研究,其中涉及一些天文学领域的研究。

前段时间,我带领学生团队做了一些相关研究工作。由于目前世界上加速器建造成本越来越高,我们希望在理论层面探寻其他可能的加速器方案,提出可以尝试将黑洞作为一种可能的加速器对粒子进行加速的设想。我们最新的研究,是让两个粒子在黑洞附近碰撞,使得一个粒子掉进去,另外一个粒子逃逸出来,当满足一定的条件时,逃逸出来的粒子可以获得比原来两个粒子更高的能量,也就意味着这个粒子被加速了。所以我们认为,这种黑洞可以作为真实粒子的加速器。

知多D

想了解更多黑洞的奥秘?记者了解到,华南理工大学还专门开设了相关选修课程和社团。

比如,面向全校学生,文德华教授开设了《天体与宇宙》通识课程。课程定位于为学生介绍有关天文学、物理学的科普性、基础性知识。其中会涉及黑洞的产生、原理等,以培养学生兴趣为主。

面向物理与光电学院三四年级本科生和研究生,张向东教授开设了《广义相对论》专业课程,主要介绍微分几何与爱因斯坦的广义相对论,其中会涉及一些黑洞和宇宙学的相关专业知识。

同学们还可以加入学生社团ALL STAR天文协会、科幻协会,进行天文观测、天文科普、科幻阅读分享与写作交流。

其中,ALL STAR天文协会还拥有昵称为“小黑”的六寸牛顿反射式望远镜,属于爱好者之中很受欢迎的入门级天文望远镜,可见的极限星等大概是10-11等【肉眼是6等】,能够观测大部分受欢迎的目视天体目标。社团不定期组织观星活动,即将到来的五一假期还将带队参观深圳的西涌天文台。

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