天文学家谈“黑洞的行与踪”

□ 采访 / 本刊编辑 整理 / 刘富坤（北京大学天文系教授）

天文学家谈“黑洞的行与踪”

□ 采访 / 本刊编辑 整理 / 刘富坤（北京大学天文系教授）

国际天文学联合会第312次专题研讨会部分参会者合影

2014年8月25～29日，国际天文学联合会第312次专题研讨会，在北京中国科学院图书馆举行，此次专题研讨会的主题是“星系中的星团和黑洞”，来自世界22个国家的150多名天文研究人员参加。会议期间，科研人员展示研究成果、交流不同见解、提出疑难问题、寻求合作研究。借此机会，本刊记者采访了六位国内外知名学者，通过他们的讲述，我们可以了解有关神秘天体黑洞的许多问题。

1.关于此次专题研讨会

据大会主席刘富坤教授和莱恩纳尔·施普尔策姆研究员介绍，目前，国际天文学联合会有会员约10000名，来自95个国家和地区，他们绝大多数是专业天文学者。国际天文学联合会每三年举办一次“国际天文联合会大会”（General Assembly），讨论和决定许多公众关心的天文问题，例如，行星或其他天体的命名等。上一届国际天文学联合会“大会”于2012年8月在北京召开，国家主席习近平做了开幕讲话。除了国际天文学联合会“大会”外，根据自己的办会标准，国际天文学联合会每年也授权和支持召开几次不同天文学分支的“国际学术研讨会”。本次国际天文学联合会第312次专题研讨会就是2014年度此类会议之一。

2.星系并合与大质量黑洞的成双成对

北京大学天文系主任，刘富坤教授

刘富坤教授：

中国天文学家，北京大学天文系主任，在意大利国际高等研究生院（SISSA）获得博士学位，瑞典歌德堡大学阿布拉莫维奇教授指导下的瑞典皇家自然科学基金博士后；主要从事大质量黑洞及其宇宙学演化、活动星系核、相对论天体物理和引力波天体物理的研究。发现了普通星系中的大质量双黑洞，提出了目前唯一的探测普通星系中大质量双黑洞的方法。研究成果之一曾入选2011年度中国十大天文科技进展。

Q1天文爱好者对于“黑洞”并不陌生，从20世纪60年代类星体发现至今，天文学家一直告诉我们，类星体以及普通星系中心只有一个大质量黑洞，如今，您指出在那里黑洞其实是普遍成对存在的。请你谈谈为什么？

A 宇宙通过大爆炸形成不久，在冷暗物质的主导下形成暗物质团块和星系。随后这些暗物质团块和星系在万有引力的作用下不断两两靠近并最终融合成一个新的更大的暗物质团块和星系。我们今天观测到的所有正常星系——包括我们的银河系都是以前较小星系通过多次星系间的融合形成的。在星系两两融合形成更大星系的过程中，位于原星系中的大质量黑洞必然在融合形成的星系中成双成对。

宇宙中正在相互并合的两个星系

Q2即使在活动星系中，探测黑洞也是极端困难的，我想对其中双黑洞的观测则会难上加难。天文学家是如何观测活动星系中的双黑洞的？

A

如果两个黑洞周围存在大量的气体，则黑洞会通过万有引力吸引和吞食这些气体。这些气体在被黑洞吞食的过程中会互相摩擦而发热发光，形成明亮的活动黑洞对。这类双黑洞如果两者相距很远、同时离我们很近，那么我们可以用高空间分辨率的望远镜直接成像观测。然而，如果两个黑洞已经互相靠得很近或离开我们太遥远，则望远镜无法进行成像观测。此时天文学家设法观测双黑洞在气体引力吸引过程中产生的特殊现象，例如，双黑洞所产生的明亮光会随双黑洞轨道运动而周期性地明暗变化。

星系中心正在吞噬恒星的双黑洞（美术概念图）

Q3宇宙中普通星系比活动星系多得多，普通星系中心是否也存在双黑洞？多年来世界上几乎没有天文学家能够敏锐地思考这一问题，您却在此取得了举世瞩目的成就，请简单介绍一下您的研究情况。

A

普通星系中是否存在大质量双黑洞？可以说是长期以来悬而未决的极端挑战性的难题。2006年起，我的研究组在世界上率先对这一问题从理论上展开研究，于2009年取得关键性突破，从理论上预言了普通星系中双黑洞的关键性观测特征。今年4月，我和我的研究团队在国际上发表论文宣布，利用欧空局(ESA)XMM-Newton卫星的X射线观测数据在普通星系中发现了大质量双黑洞，同时也验证了我们2009年预言的观测特征。这一发现被国际同行评价为属于那类改变我们宇宙观、开启全新天文研究新方向的发现。欧空局(ESA)以及随后的美国国家航空航天局（NASA）以及《自然》杂志都为这一发现作了新闻专题报道。德国马普协会、意大利国家天体物理研究所、我国的《科学时报》等国内外天文研究机构或新闻媒体用近四十种文字作了新闻报道。

3.关于黑洞与星团

莱恩纳尔·施普尔策姆（Rainer Spurzem）研究员：

德国人，升大学时，曾经为学习汉语还是物理犹豫不决；最终，他决定通过在20世纪80年代多次背包游中国来学习汉语，而以物理学和天文学为专业在德国哥廷根大学学习。2009年他来到中国工作，目前他是中科院国家天文台的研究员、国家“外专千人计划”特聘专家，国家天文台“丝绸之路计划”和“老虎”（Tiger）超级计算机团队负责人，是拥有此职位的唯一一位外国专家。他也是德国海德堡大学研究所和北京大学科维理天文和天体物理研究所的兼职教授。

中科院国家天文台莱恩纳尔·施普尔策姆研究员

Q1黑洞作为一个非常特别的天体，面对它天文学家起初也是束手无策，知之甚少。而普通公众对“黑洞”却兴趣浓厚，请您简单介绍一下，黑洞为何物？

A

黑洞是极端致密的“黑”天体，这里的“黑”是指它不发射任何电磁波，因而不易被人们发现。它是爱因斯坦的广义相对论预言的天体。最近几十年，天文学家获得了关于黑洞的大量观测数据，发现有些黑洞质量与太阳相当，而另外一些黑洞——特别是距离地球非常遥远的，其质量往往是数百万甚至数十亿倍太阳大小。对于这样极端质量的天体，人们会以为，在它的强大引力作用下，处在其周围的天体会被吸引直至被摧毁。其实不然，那些恒星、行星及星际气体可以通过绕着这些怪兽——黑洞高速运转而稳定存在，至少可以存在很长一段时间。这有些像月球和人造卫星围绕地球运转而不降落的情形。到目前还没有科学家直接“看见”黑洞，当然不发射电磁波的“黑色”天体无法被看见。但是天文学家在星系核附近观测到了高速运转的恒星和星际气体，速度可高达1000千米/秒，这是天文学家寻找黑洞的关键方法之一。天文学家还希望，在不远的将来通过直接探测引力波来“听”见黑洞。

金牛座中的疏散星团昴星团

Q2对于天文爱好者来说，最熟悉的星团可能是卯星团，它位于金牛座，其中最亮的七颗恒星被称为“七姐妹星”，关于星团的科学问题是这次专题研讨会的主题之一，请您说一说星团的物理属性？

A

在黑洞附近和星系外围（星系晕）常常可以发现星团，它们一般包含数十万甚至上百万颗恒星。其中心区域的恒星密度比太阳系附近恒星密度高百万倍。如果我们居住在那里的一颗行星上，那么夜空将会因为惊人密集的繁星而明亮如昼。引力是维持星团中大量恒星聚集在一起且稳定存在的关键因素，这如同引力使得太阳系各个天体有条不紊地运动，并保持太阳系的稳定存在一样。然而两者之间也存在根本性区别：太阳系恒星绕太阳作长期稳定的近乎圆形的轨道运动，而星团中的恒星运动是随机且没有固定轨道的，它们相互之间不断发生时强时弱的引力碰撞。但整体上，恒星星团也是非常稳定的。恒星星团乍看之下只是几十万颗不断运动的恒星而让人乏味，但是星团中的恒星不断演化成白矮星、中子星或黑洞。不同寻常的是，恒星的这些“遗体”可以捕获其他恒星，或者从其他恒星中撕下部分气体甚至将其毁灭，它们就是通过望远镜观测到的灾变变星，或者X射线双星。

Q3对于黑洞和星团，除了利用望远镜进行观测之外，我们还有没有其他研究方法？

A 对天文学和天体物理学来说，计算机数值模拟已经成为一个重要的研究工具，可以说与望远镜一样重要。这次专题研讨会中就有不少关于恒星、黑洞、星团以及它们之间的相互作用的计算机模拟的成果报道。天文学家通过计算机数值模拟，可以在很短时间内——在数天或者数周之内模拟完成一个星团数百万年的演化。对于黑暗而无法直接观测的天体，如黑洞，数值模拟可以研究它们如何运动、如何通过吸积气体和恒星而成长。要数值模拟包含数十万个由恒星和黑洞等天体组成的星团，我们需要最强大的计算机系统。在这方面中国已成为世界领先国家之一，中国的超级计算机“天河-1A”和“天河-2”发挥了重要作用。中科院国家天文台的“老虎”计算机虽然计算速度略逊于前两者，但是它只用于天文学研究。这次会议上，“丝绸之路计划”成员汇报了用它模拟研究超大质量黑洞演化、它们的引力波辐射以及它们对恒星的撕裂和吞噬等成果。

球状星团梅西叶天体M68

4.黑洞吞食周围的物质

玛瑞克·阿布拉莫维奇（Marek Abramowicz）教授：

波兰人，华沙大学理论物理学博士，斯坦福大学博士后；他在包括牛津大学、意大利的里雅斯特的SISSA、华沙哥白尼研究中心等在内的世界著名大学和科研机构工作过。研究领域包括广义相对论、黑洞及中子星理论，特别是黑洞吸积盘理论。同合作者一起，建立了著名的吸积盘“细盘(Slim disk)”模型，该模型现已成为我们理解大质量黑洞形成和宇宙成长史的标准模型；与美国哈佛大学的Narayan教授一道，是黑洞“平移主导吸积流”模型的共同发现人，该模型已是我们认识银河系中心黑洞辐射的基础；他是目前最流行的、解释银河系内恒星大小黑洞中出现的X-射线准周期振荡现象模型的提出者。阿布拉莫维奇教授培养的第一个博士研究生是中国人，就是厦门大学天文系的卢炬甫教授。有意思的是，阿布拉莫维奇教授正在培养的也是一位中国学生。

阿布拉莫维奇教授（前排左三）和他的中国朋友在一起，前排右三为厦门大学卢炬甫教授，前排左一为北京大学刘富坤教授

最初，黑洞仅仅是爱因斯坦广义相对论的一个预言；如今，黑洞成为了天文学家和物理学家的热门研究对象，科学家们是如何研究黑洞的？

A

黑洞是爱因斯坦广义相对论最引人注目的一个理论预言。它异常奇特的特性总是使科学家以及科学爱好者对其浮想联翩。起初，黑洞只是以一种怪诞的理论想法而存在着。对它的模型研究也仅仅出于一种数学兴趣，而对于它的真实存在性多数人都持怀疑态度，包括爱因斯坦本人。然而，到了20世纪后半叶，情况发生了改变。此时毫无争议和明确的观测证据表明，在银河系及许多其他星系中确实存在着可以断定为“黑洞”的天体。目前，科学家主要发现了两种类型黑洞：一类黑洞的质量达数百万甚至数十亿倍太阳质量，位于银河系或者其他星系的中心，它们中的部分成员是稳定且强大的宇宙能量发射源。这类黑洞往往被观测为类星体或者其他超大质量天体，它们被统称为活动星系核。另一类黑洞仅有约10个太阳质量大，它们的行为象小个头的类星体，常常被称为微类星体或恒星级黑洞。天文学家在银河系中发现了几十个这样的天体，它们都是以X射线双星的成员出现的。

Q2现在，黑洞作为一类天体，研究它不再只是科学家的空洞数学推演，而是从理论和观测两方面进行。请介绍一下目前黑洞吞食物质研究的关键点和现状？

A

从天文学来讲，类星体和微类星体尽管不能与黑洞画等号，但是它们与黑洞密切相关，研究它们实质上是在研究黑洞问题。从它们被发现的那一天起，就一直是天体物理领域最吸引人的两类天体。黑洞吸积盘理论的最终目标是解释它们的观测特性，而其中的关键性问题是如何解释被黑洞吸引的气体物质之间为什么会存在强大的摩擦。这些气体物质在互相摩擦及黑洞引力的双重作用下快速流向黑洞中心，并在这过程中将黑洞强大的引力势能转变成光辐射能，形成宇宙中的明亮灯塔——类星体。现在普遍接受的一个观点是，磁场在其中扮演了决定性角色。地球大气中存在磁场，太阳上存在磁场，宇宙空间中的气体中也存在磁场，而被黑洞吸引的气体物质中也同样如此。磁场在随气体物质被黑洞吸引而流向黑洞的过程中，它们会被不断放大，就像发电机中的磁场被放大一样。被放大的磁场会和气体物质发生纠缠，这样的纠缠发生在地球磁场和来自太阳的高能粒子之间时就形成我们看到的绚丽多彩的极光。气体与磁场之间的大面积纠缠就使气体物质之间产生强大的摩擦并将引力势能转变成光辐射能。我们所有的这些理解和知识都来自超级计算机对黑洞吸积过程的数值模拟。

哈勃空间望远镜拍摄的来自活动星系M87的5000ly长的喷流

关于黑洞吸积过程的数值模拟图

5.大质量黑洞可以毁灭恒星

德国天文学家斯蒂芬妮·科莫萨（Stefanie Komossa）研究员

斯蒂芬妮·科莫萨（Stefanie Komossa）研究员：

德国人，就职于德国马克斯-普朗克射电天文研究所。她过去曾频繁访问中科院国家天文台，目前仍与中国天文学家和世界其他国家的天文学家进行合作研究。主要研究领域为星系和大质量黑洞及其宇宙学演化。她的科学发现包括探测到首例恒星被黑洞潮汐撕裂和吞噬的事件、发现第一例吸积中的大质量双黑洞等天文现象。已发表论文约300篇，曾获德国天文学会年度研究奖。

Q1斯蒂芬妮女士，大质量黑洞可以毁灭恒星，请您讲一讲是怎么回事？

A 许多星系的中心都藏匿着大质量黑洞。距离这些黑洞非常近的地方，它们的引力潮汐力是如此之大，以至于可以将那里的恒星撕得粉碎。其实，地球上海水的潮起潮落同样是月球与太阳的潮汐引力造成的。在星系的核心区域，绝大多数恒星都位于远离黑洞的安全距离。然而，偶尔也会有个别恒星运动到过于靠近黑洞的地方，此时它就被判了死刑：黑洞潮汐力会将它撕碎，然后大多数的恒星碎片将落向黑洞并形成一个短暂存在的吸积盘。这些恒星物质被极度加热，形成一个高能电磁辐射耀斑。最后恒星物质永久地消失在黑洞里，完成黑洞对恒星的毁灭和吞噬过程。

Q2黑洞毁灭恒星这一现象对我们研究黑洞有何帮助？这种现象可以经常被观测到吗？

A

黑洞潮汐吞噬恒星事件，一方面为天文学家研究大质量黑洞附近的极端物理过程提供了新机会，另一方面，这些极亮辐射耀斑也是这些遥远宁静黑洞存在的标志，不然的话，它们会永远保持不可见状态而不会被发现。黑洞毁灭恒星事件发生率极低，一般来说，每个星系大约每1万年会发生一次。不过，如果我们观测足够多的星系，每年也可以观测到几次这种事件。确实，20世纪90年代，当伦琴卫星（ROSAT）在X射线波段对整个天空进行扫描观测时，首次发现了几次黑洞毁灭恒星产生的极亮辐射闪耀现象。

黑洞撕裂并吞噬恒星（美术图）

Q3黑洞毁灭恒星事件有哪些最新的观测成果？

欧空局发射的牛顿X射线空间望远镜（XMM-Newton）

A

目前，欧空局发射的牛顿X射线空间望远镜（XMMNewton）正在系统地搜索这种恒星毁灭事件，我是这个团队的成员之一。目前新发现了10个左右来自遥远星系的闪耀事件，它们在X射线波段达到极高亮度，然后在几个月到几年的时间内逐渐暗淡下去。美国的雨燕卫星（Swift）也有惊人的发现。它探测到伴有高能伽马射线辐射的两个恒星毁灭事件，而且在射电波段的探测发现，它们还伴随着物质粒子的喷射，这是之前的此类事件所没有的。不仅空间望远镜，地基光学望远镜最近也有新的发现，天文学家观测到事件“光回声”，也就是在闪耀X射线的照射下，宿主星系中的气体物质回应性地发出很强的氦、铁等原子谱线。

6.引力波与黑洞等致密天体

马修·贝纳奎斯塔（Matthew Benacquista）教授：

马修·贝纳奎斯塔就职于美国布朗斯威尔的德克萨斯大学，是引力波天文学中心的教授，主要研究作为引力波源的致密双星系统。曾出版教材《单星和双星演化入门》。

马修·贝纳奎斯塔（Matthew Benacquista）教授

Q1科学家至今没有明确探测到引力波，普通公众更是觉得引力波神秘莫测，请您简单介绍一下引力波的特性？

A

引力波是爱因斯坦广义相对论的科学推测，是时空的一种波动，它们能使惯性物体之间的距离产生小幅变化。黑洞等双星系统是产生引力波的源之一。在这类引力波辐射中，引力波的强度随恒星的质量和它们相互绕转的频率增大而增加，因此处于近距离轨道绕转的黑洞、中子星和白矮星双星就是强引力波发射源。一般说来，这类天体在电磁波段非常暗弱而难以被观测到。引力波带走能量和角动量，使得双星系统中的两颗星距离越来越近，绕转频率不断升高，最终两颗星走到一起，发生并合。对于黑洞和中子星来说，当它们并合时，绕转的频率大约100～1000赫兹。对于许多星系中心的大质量黑洞来说，它们的并合发生在绕转频率低于1毫赫兹时。

Q2 如今科学家是如何测量引力波的？

未来的引力波设备eLISA的空间结构示意图，中间黄色圆点为太阳，周围白环线为地球轨道，三角的三个顶点为设备部分

A

我们可以通过测量两个物体的距离变化来探测引力波，当剔除除引力波之外的所有其他已知原因引起的距离变化后，余下的距离变化就是引力波的穿越造成的。激光干涉技术是测量微小距离变化的一个最有效手段。目前，全世界正在建造一个千米尺度的激光干涉仪网，用于探测因恒星大小黑洞或中子星合并而产生的引力波。这些激光干涉仪中最大的是位于美国的4千米的LIGO探测器和位于意大利的3千米的Virgo探测器。这个引力波探测网将于2015年建成并开始运转，于2020年结束。另外，欧空局计划于2034年发射一个被称为eLISA的空间引力波激光探测器，它的基线跨度达数百万千米。美国、中国和日本都在考虑或布置此类探测器，或在eLISA中承担一部分任务。

7.射电方法研究黑洞

罗恩·埃克尔斯（Ron Ekers）教授：

澳大利亚人，澳大利亚国家科学与工业研究组织（ CSIRO）委员，该组织国家望远镜设备部主任。曾在加州理工学院、剑桥大学、荷兰格罗宁根大学及美国国家射电天文台工作。曾任美国甚大阵（VLA）主任、国际天文学联合会主席（2003-2006），澳大利亚科学院院士，荷兰皇家科学院院士。由于对射电天文学的创新性巨大贡献，被国际射电科学联合会授予2014年格罗特·雷伯奖，此次国际射电科学联合会大会颁奖活动在中国北京举行。

罗恩·埃克尔斯（Ron Ekers）教授

Q1埃克尔斯教授，您主要从事实测射电天文学研究，请你讲一讲射电观测在黑洞研究方面的作用？

“脉冲星计时阵”中的澳大利亚帕克斯射电望远镜（Parkes Radio Telescope），用于探测引力波

A 现在，我们知道，活动星系核（或者说类星体）是中心寄居着不断从周围环境吸积物质的大质量黑洞的星系。正是第一个类星体——射电源3C273的发现，使得天文学家认识到星系核所起的关键性作用，意识到黑洞的存在使星系核在狭小体积内释放强大能量成为可能。射电观测还发现了黑洞吸积盘的喷流。这些粒子喷流可以伸展很长很长的距离。在许多射电星系中，观测到喷流方向的改变，表明喷流轴发生了进动或方向的突然改变，而这正是星系并合所期待的。不仅如此，射电水脉泽的观测可以比较精确地估算某些星系，如星系NGC4258中黑洞的质量；采用射电观测的所谓“脉冲星计时阵”是探测引力波的新方法之一，该方法利用脉冲星脉冲的稳定性，通过精确测量脉冲到达时间的周期性变化来探测引力波，这对研究大质量黑洞等致密天体以及引力波天体物理等意义重大。可见，射电观测在黑洞研究中起着非常重要的作用。

（责任编辑 张长喜）