第324期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《“捕捉”黑洞》
讲座题目：透视新科技——“捕捉”黑洞
主持人：段玉龙
做客嘉宾：赵永恒，中科院国家天文台研究员。
陆由俊，中科院国家天文台研究员。
讲座时间：2022年1月3日～1月9日
（备注：讲座视频可循环播放）
讲座内容：
各位观众朋友，您好！欢迎收看《透视新科技》，我是主持人段玉龙。2019年11月28日，中国科学院国家天文台对外宣布，中国科学家发现了一个大质量的黑洞。这个消息的发布也引起了世界范围的广泛关注，究竟什么是黑洞？科学家们为什么一直要寻找它？黑洞的发现和普通人的生活又有什么关系？黑洞是在宇宙当中非常特殊的天体，科学家们已经孜孜以求地探索了上百年的时间。2019年11月28日，国际科学期刊《自然》杂志发布，中国科学院国家天文台研究团队依托于位于河北兴隆的郭守敬望远镜，发现了一颗70倍太阳质量的黑洞，这也是迄今为止发现的质量最大的恒星级黑洞。这项发现提升了人们对恒星级黑洞质量范围的认知，也提供了一种利用郭守敬望远镜的巡天优势，寻找新的黑洞的观测方法。今天做客演播室的二位嘉宾分别是中科院国家天文台的研究员赵永恒，以及中科院国家天文台的研究员陆由俊，欢迎二位！
我们在以上的短片当中所看到，中国的科研人员在银河系内发现了一个大黑洞，什么是黑洞呢？它真的是黑色的吗？以及它确实是个洞吗？我先来就这个黑说一下，黑并不是指黑洞是黑色的，而是指完全看不见。我们知道黑洞的引力特别强，靠近它周围的物体都会被吞噬进去。就连光也不能逃脱出来，没有光自然就完全看不见它，所以黑不是因为它是黑色，而是因为我们看不见它。那黑洞真的是一个洞吗？黑洞是一种形象化的描述这种天体的特点，就好像我们地面上如果有个洞的话，它就是稍不留神东西掉进去了，然后掉进去就出不来，那么我们就用黑洞的洞字，来形容物质掉进去就出不来，来形容这种天体的特点吧。那为什么黑洞掉进去的东西就出不来呢？其实这个力量并不奇怪，我们每个人每天都能感受到这种力量，这就是所谓的万有引力。我们可以打个比方，比如说在地球上，我们用力向上抛东西，这个东西就会落下来，这是因为地球有吸引力。但是如果我们的力气足够大，比如说抛的速度达到11公里（千米）每秒的话，那么这就像火箭一样，它可以逃脱地球的吸引力，就飞出去了，再也不会回来。那么对于太阳来说，如果在太阳的表面向上抛东西，这个速度可能就需要每秒钟600公里（千米）。对于黑洞这样一个天体来说，在它的附近向上抛东西，那么你需要的速度就极高，直到在一个特定的区域里，连光也逃脱不出它的引力。所以我们知道，这就是它为什么看起来是完全看不见的，因为光也逃不出来，并不是说黑洞旁边的天体是掉进黑洞的，而是被黑洞吸引进去的。是的。那黑洞为什么有如此大的引力？
这是因为黑洞的质量足够大，密度足够高，半径足够小。万有引力的话，实际它就是任何物体之间都会有吸引力。万有引力的定义就是说这两个的引力之间，跟它们质量成正比的，跟它们距离是平方成反比。所以说如果是高密的高质量天体，它就可以形成一个很强的引力场。如果足够强，刚才说我们就会变成黑洞，那么这样话，黑洞它就会对周边的天体的运动也好，什么这就会有影响，这就是黑洞的引力效应。打个比方说，如果把我们的地球压缩到只有一粒花生米大小的体积之内，那么它的密度就会高达20万亿亿吨（千千克），每立方厘米。这是一个极大极大的密度，我们几乎难以想象，这样的一个花生米大小的颗粒，它就是一个黑洞。如果把我们的太阳压缩到一个三公里（千米）大小的球体之内的话，它同样也会变成一个黑洞，这个密度也是极高的，它可以达到200亿吨（千千克）每立方厘米。所以正是因为如此致密，导致了它的引力足够强，变成了可以把光也束缚住，逃不出去，所以就是一个黑洞了。按照刚才二位跟我们的分享，我们做一个假设，如果是一个人掉进黑洞的话会发生什么？包括站在这个人的视角看的话，他又可能会看到什么？
这是一个非常有趣的问题，那么我们的黑洞的引力场足够强大，如果一个人靠它太近，就有可能被它吞噬掉。那么吞噬的过程，就类似于我们司空见惯的这种漩涡，我们看到了大海里面有漩涡。甚至于我们在一个浴缸里面也能看到漩涡，这个漩涡的图像大概是这样的。那么大海中的漩涡，这种结构非常类似于我们黑洞周围的时空结构，那么，如果有一个人乘坐一艘船走到漩涡的边上的话，他会被漩涡旋进去，一直掉到漩涡的中心落下去。那么人掉进大海的漩涡里面，我们还是有可能救回他的。但是如果人掉进黑洞里面，因为过了一个特定的区域，他再也不能回来了。这就是因为黑洞的这个引力的特性决定的，他掉进去了，他可以看到外面的景象，但是外面的人再也看不见他，也救不回他了。其实在宇宙当中，黑洞有很多的遍布，那我们一定会担心，地球有没有可能被黑洞吸进去。陆研究员，您担心地球会被黑洞吸走吗？
完全不担心，这是因为，尽管我们的银河系里面有很多很多的恒星级黑洞，还有在银河系的中央，有一颗400万倍的太阳质量的大黑洞，但是它离我们都非常遥远，它们鞭长莫及，吃不到我们。如果我们打个比方的话，就像拿个磁铁，我们可以放这以后，会把周边的铁屑都给吸引过来。那么黑洞就是一种比较强引力的一个洞，像一个那种大磁铁，但是总的来说它都有它的势力范围，它的引力是有范围的。如果你离得远，它可能就很难吸过来，所以一个是跟黑洞大小有关系，另外跟你的天体，比如说我们地球吧。离黑洞多远还是有关系的，黑洞离着我们太远的话，它影响不到我们地球，所以地球也不会被黑洞给“吃”掉，给吞并掉，这种应该说非常难的一件事情。
那在宇宙当中，究竟是一种什么样的力量，可以让一个天体缩小到那么小，黑洞究竟是如何形成的？那么黑洞的形成，其实最直接的一种方式就是恒星在演化的死亡终结的阶段形成黑洞。那么什么样的恒星才能形成黑洞呢？这必须要有很大质量的，一般的来说是要大于25倍的太阳质量。在这样的恒星演化到它晚期的时候，由于再也没有核反应，来发出大量的光和热，支撑这个万有引力，引力使整个的内核发生崩塌。最后集中到中心的一个极小极小的区域，就变成了一个极高密的黑洞。那就是说在太阳系当中，太阳这么大质量的恒星是不可能形成黑洞的，只有更大质量的恒星才有可能形成黑洞。没错，我们的太阳的演化的命运的终结，它不是一个黑洞，而是一个白矮星，这是因为它的质量还不足够大，所以它在演化的晚期留下的核心区的引力不够强。嗯。黑洞听起来既神秘又富有很多的想象力。
关于黑洞还有什么样的知识，我们通过一个短片了解一下，黑洞是宇宙空间内存在的一种密度极大，体积极小的天体。宇宙中大部分星系，包括我们居住的银河系的中心，都隐藏着一个超大质量黑洞。这些黑洞质量大小不一，约为太阳质量的99万倍到400亿倍。除此之外，宇宙中预计还有一千亿颗恒星级黑洞。当恒星内部的能量耗尽时，便会在外壳的重压之下开始坍缩，所有的残骸会一直向内坍缩，成为黑洞。这时由于引力的作用，在黑洞外部会形成一个视界，凡是进入视界的物质，包括光线，都无法再从里面跑出来。因此，黑洞被称为宇宙吸光器，落入视界的物体并不是进入视界就停止了。在巨大的引力作用下，他们还会继续向黑洞中心跌落。最终，黑洞里的全部物质和质量都压缩到中心的一个点上，这个点被称为奇点。当两个黑洞距离足够近的时候，由于相互之间强大的吸引力，它们便会互相靠拢，最终合并成一个更为巨大的黑洞。
那既然我们刚才提到了黑洞的引力非常大，包括光线进去都出不来，我们通过肉眼观测不到黑洞，那我们又是通过一些什么样的方法来找到黑洞的呢？一般来说，黑洞是看不见的，你非常难以发现它。但是黑洞它的引力非常强，所以在它周围的天体或者气体云团会被它吞噬。这个吞噬的过程中，我们可以看这么一张图，在吞噬的过程中，它就会发出强烈的X射线。那么这个黑洞和它周围的吸积气体组成一个系统，这个系统不单不是宇宙中看不见的一个东西，而是宇宙中最明亮的天体系统。我们可以通过观测它的X射线辐射发现它，那么也许有的朋友会说，X射线是什么？X射线其实非常，我们日常中经常碰到它，比如说医院有X光刀，那个机场有X光的检测仪器做安检。X光是比光学波段能量最高的，频率更高的一种光。黑洞在吞噬其它天体的时候，为什么会发出X射线呢？
黑洞在吞噬周围的气体的时候，那么这个气体，会发生相互摩擦，它会生热，会变得越来越热，越靠近黑洞它就越热。这个热到什么程度呢？它的温度可以高达1000万（摄氏）度，那么这个就会发出明亮的X射线。它是宇宙中最亮的天体，它有很典型的光谱特征，我们就认为要存在于大质量的黑洞，我们地球上的X射线望远镜，就可以看到它，这可以作为发现黑洞的一个重要指征。在远离它的地方，会发出紫外光，所以你可以看到这张图上不同的地方，它的颜色是不一样的是可见光的范围吗？它可以是可见光的范围。但是要在针对不同黑洞的质量大小，它离得远近不一样，一般的可见光离得比较远一点，X射线是在最内的区域发生。那黑洞既然可以把光吸走，那发出的光线会不会被它再吸回来。那是因为我们说在黑洞可以把光完全吞噬掉，是指一个特殊的区域，在那个区域之内，也就是在这非常里面的这个地方，我们看到它是黑的，这个地方的光线都被吞噬掉了，但离它比较远的话，黑洞的引力虽然足够强大，但是它也是鞭长莫及，这的光可以逃逸到远处的观测者的眼中。所以黑洞在“吃”周围天体的时候，是一定会发出一些信号，其中就包括X光。那是否意味着我们一旦监测到了X射线，就意味着它的附近有黑洞呢？是的，可以这么说。因为X射线往往是黑洞存在的一个指征，尽管也有，比如说中子星袭击气体，吞噬气体的时候也会发射X射线，但是它的X射线发射的性子和黑洞发射X射线的性质是不同的，我们是可以区分的。
那跟赵研究员聊一下，就您所了解，目前为止，我们在整个的宇宙当中所观测到的黑洞大约有多少？如果像我们银河里边，在恒星死亡的时候形成的，叫做恒星级的黑洞。如果像这种黑洞的话，我们在银河系里，主要是通过X射线找到了，现在大概确认是20颗左右的黑洞。就是我们知道黑洞会很多，但是确认的还不是太多。那如果我们在寻找黑洞的过程中，没有发现X射线。那除了X射线之外，还有一些什么样的标记，还有一些其它的什么样的方式可以帮助我们来确定这里有一个黑洞。那么其中的一种，我们叫通过双星系统来发现黑洞，就是双星的话，就是一个黑洞，旁边一个正常的恒星，正好它进行互绕，我们通过观测到这个正常恒星的，发光这个恒星来确定黑洞质量。如果这个质量足够大，超过某一定限度的话，我们还说它又不发光，质量又这么大，好，这就是黑洞。您刚才提到一个双星系统，这也是辅助发现黑洞的方式之一，那究竟什么是双星系统？
我们来举个例子看，比如说这儿有一颗恒星，这儿有一颗恒星，这有两颗恒星相互绕转这种过程。嗯。它们是由万有引力相互束缚的，就正如我们地球绕太阳转一样，如果其中的一颗不是恒星，是黑洞的话，那么它就组成了一个黑洞恒星系统，那么它也是相互绕转的。那么恒星在绕黑洞转的过程中，一会儿离我们远去，一会儿靠近我们，在离我们远去的时候，恒星发的光会向红色移动，在靠近我们的时候，恒星发着光会向蓝色移动。那么通过这种颜色的变化，我们可以确定恒星的运动以及它的轨道。这个变化其实我们高中都学过，多普勒效应，就是我们在高铁站的时候，当高铁开着，冲我们开过来的时候，我们会发现这个声音的变高，音调变高，也就是说它的频率变大。当远去的时候，它的音调变低沉，也就是说频率变低，那么这是同样的类似的效应。通过这种效应，我们就可以测得这个恒星绕转中心，一个看不见的天体，这个运转的轨道和速度，通过这个轨道运动，我们可以测量的质量，就正如刚才赵老师说的一样，那么如果这个质量足够大，比如说大于三倍的太阳质量，那么它肯定就是一个黑洞了，不再可能是别的天体。这是我们找到黑洞的方式之一，在双星系统的运转当中，我们发现了黑洞。
通过双星系统来发现黑洞，科学界很早就有这种想法，但是真正实现这个，应该是利用我们国家这个自主创新的望远镜，这个创新的叫LAMOST（郭守敬望远镜）。那么，通过这个望远镜，我们真正找到这种恒星级的黑洞。嗯，您刚才提到LAMOST望远镜，这究竟是一个什么样的望远镜？这个望远镜主要是来研究的天体的光谱的，比如说我们白色光的话，可以分成七色光，有点像我们的彩虹，大家看雨后的话，你能看到彩虹是成七色的。那么最早牛顿的时候，用了三棱镜，就可以把白光分成七色光，这叫光谱。那么光谱对于天体来说，有点像指纹，如果你看到这个光谱，那么你们就知道，这个恒星的类型，恒星的一些特点，包括我们刚才说恒星的运动速度，有很多信息可以做到。郭守敬望远镜作为一个光学望远镜，它和其他的望远镜相比较，有一些什么样的异同？
那么LAMOST（郭守敬望远镜）最强大就是说，应该说叫一眼千星。就是它同时可以拍（测）到4000个天体的光谱，所以它现在是世界上拍（测）天体光谱的效率最高的望远镜。正如刚才赵老师所说的一样，郭守敬望远镜，它是多目标的望远镜，它可以一眼千星，它可以同时观测4000个天体，为他们测光谱、测指纹。而其他的普通的光学望远镜，你一次就能看一个天体，这也就是说郭守敬望远镜的效率特别特别高。关于LAMOST以及它的另外一个名字郭守敬望远镜，还有一些什么样的知识，我们通过一段短片和大家了解一下。河北兴隆燕山主峰的南麓上，藏着一双仰望星空的明眸，国家重大科技基础设施郭守敬望远镜，它是我国自主研发的光谱望远镜，与印象中的望远镜不同，人们不使用它来直接观测星体，来自遥远星空的星光，经过两次反射到达焦面，最终通过对星体光谱分析，从而得知遥远的星体信息。
通常情况下，对于望远镜而言，同时观测足够多的天体与观测足够暗的天体是个难题。但是郭守敬望远镜解决了这个难题，它直径1.75米的焦面上，可以放置4000根光纤，并精确定位，使得它可以同时观测4000个天体。而世界上同类望远镜，最多才可同时观测640个天体。作为世界上同时获取光谱量最多的望远镜，郭守敬望远镜目前的使命就是对银河系的巡天，给银河系重新“画像”，搜寻奇异天体，捕捉遥远的宇宙信息。我们在今天节目中一开始和大家所提到的这个黑洞，是否就是通过这种方式所确定和寻找到的？是的。我们发现了这个LB－1，这颗质量很大的银河系内的黑洞，那么就是通过这种方式发现的。这就是刚才我们说的，如果在银河系内有这样一些恒星级的黑洞，它的周围有一颗明亮的星，绕着它转的话，由于它周围的星体受它强大的引力的影响，它们的转动速度比没有黑洞的情况下要快，那么我们可以通过这种转动速度来揭示黑洞是否存在。那么这个双星系统里面，我们可以通过它的伴星的运动的速度和轨道来测看不见的天体的质量。那么一旦我们确定了它的质量，我们就可以判定它是否是黑洞。那这次我们如何在这一眼千星的过程当中发现的这个大黑洞的呢？
黑洞的话，在银河系里边算是少数了，因为银河系有千亿颗恒星，那么现在大家估计，大概黑洞是有一亿左右的黑洞，所以它比例是比较低的。那么我们LAMOST（郭守敬望远镜）是采用双星系统来找黑洞，挑了三千多个天体恒星，然后去拍（测）它的光谱，在3000个恒星里边，我们找到了300个双星，然后其中一个就是我们这次发现的这个银河系中大的黑洞，就是说旁边是正常恒星，但是中间是个不发光的，是个70倍太阳质量的黑洞，那么就通过这种有点像撒网捞鱼似的，3000个天体捞出来300个双星，然后捞出一个黑洞来。这撒了一张大网，捞出来一条大鱼。没错，一条大鱼真的大鱼。为什么其它的光学望远镜在此之前就没有过黑洞的发现呢？当然用过这种视向速度的方向，刚才我们说的在双星中明亮的天体，绕转的速度来探测黑洞的方法，早就被提出来过。但是用其它的光学望远镜，比如说同等的有效通光口径的，跟LAMOST（郭守敬望远镜）一样的话，那么一次你只能看一个，如果有3000颗行星，我们不知道这3000颗行星，哪颗在一个黑洞边上绕着转，所以我们要一个一个地去看，所以你就要花3000倍于郭守敬望远镜的时间，才能找（钓）到这一条大鱼。
我们今天跟大家来分享有关黑洞的一些知识，包括这次我们看到的银河系当中的大黑洞是如何找到的。那一定大家会问一个问题，我们寻找黑洞，包括去研究黑洞的意义是什么，听一听二位科学家的观点。研究黑洞的意义，我想我们通常大家都会感受到，比如说问的第一个问题是我们从何处来？我们的宇宙是如何产生演化？和它最终的命运是什么？因为这些实际上对我们最大的揭示，就是说我们人类在宇宙中，他是居于什么样的地位，是什么样位置，这是我们每个人都关心的问题。但是控制这个宇宙命运的恰恰就是万有引力，而我们研究黑洞，就是试图对万有引力的本质做一个全面的揭示。那么，我们希望有一个终极的理论来描述我们这个宇宙，我们能够清晰地了解这个宇宙，这也是每一个观众都希望知道的答案，这是一个方面。另外一个方面，也许有一天，我们可以通过研究黑洞发现引力背后的秘密，找到了合适的通道，那么它有可能提供我们一种穿越星际的方式。
那么这个呢，是大家特别感兴趣的一个地方，这也就是为什么黑洞这么神秘的一个地方，它提供了一种可能的方式去做星际穿越，我们很多观众可能都看到过《星际穿越》这样的科幻电影，也许我们能够找到一种穿越星际的方式，那么这个是大家每个人都希望看到的，我们每个人都不想被束缚在这个地球上，这个小小的一个地球，我们想有星辰大海，我们要穿越宇宙，我们想探索宇宙，探索整个的星际空间，做一个宇宙的大探索。我们会亲临现场，比如今天我们说黑洞，都是通过一些望远镜观测遥远的黑洞，我们不能够亲身经历它现场的那种宏大的这个状态，那么也许有一天我们能够到这个边上去看它，就像《星际穿越》里面的主角一样，穿过黑洞的世界。那么这也许就是我们探索黑洞，探索引力本质的一个重大的意义所在。也许未来还会进行一次黑洞的边界旅行。我可以补充一点，黑洞现在是在天文上、在宇宙中，大家都认为是一种能源极强的一种天体，也因为它的强大引力场，当物质在掉进黑洞过程中会释放非常多的能量，它的能量转化效率是最高的一种类型的。所以将来如果一旦我们人类能够通过宇航航行到黑洞周边，其实是可以通过黑洞来提取黑洞能量的，这个是一个强大能源，这当然是一个科学幻想了，希望未来能够实现。好，您刚才提到未来，我们今天跟大家分享到有关中国科学家探测到的这一颗大黑洞，是验证了一个过去的一个科学理论，现在这个成果已经是取得了，未来咱们国家的科研人员在黑洞这件事情，还会有什么样的计划？
首先我们讲黑洞的发现的方法，那么LAMOST（郭守敬望远镜）这次发现了银河系中的大黑洞，这实际是一种新方法的一种验证，这是说这个方法是可行的。那么我们将来今后几年，会使用这种方法来不停地去寻找新的黑洞。所以科学家把它命名为叫“黑洞猎手”计划，计划在以后的几年中，能够找到一百多颗的黑洞，那么用这些黑洞我们就可以来进行科学研究。那除了找寻黑洞，陆研究员在您看来，咱们关于黑洞的研究还有一些什么样的计划？这问题非常好，我们发现的这个黑洞，它的质量是70倍的太阳质量，这个质量的范围比我们从观测和理论的角度，以前给出的黑洞质量的上限，都要大得多。从理论的角度来说，有恒星演化产生黑洞，那么它形成的黑洞的上线的质量大概是25倍的太阳质量，这就对理论给出了强烈的挑战。它会迫使我们的恒星演化理论进一步革新，必须要解释这个黑洞，这是在理论的角度给出的一个重大的推进。那么，一旦我们革新了恒星形成演化的理论的话，我们会重新发现，也许我们银河系内还存在着更多的这样大质量的黑洞，那这正好是我们“黑洞猎手”计划的目标。我们希望通过结合，LAMOST望远镜或者郭守敬望远镜的强大的光谱功能来搜寻黑洞，两者结合在一起，也许会给出更多的黑洞，能够回答更多的有关恒星演化的问题。也希望咱们国家的科研人员在未来科研攻关的过程中，可以为我们揭晓更多有关黑洞，有关宇宙的奥秘。再次感谢二位专家做客本期《透视新科技》，也感谢电视机前各位观众朋友的收看，今天这期节目就到这里结束了，下一期再见。
