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天文學家苟利軍:給黑洞“畫像”的人

2022年07月27日09:27 | 來源:中國青年報
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原標題:天文學家苟利軍:給黑洞“畫像”的人

關於太空,人類有著無盡的好奇,以及問不完的問題。7月24日,“問天·求索”暨“太空請回答——科學探索特別活動”邀請了多位重量級嘉賓——“太空教師”、英雄航天員王亞平,中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠院士,中國航天科技集團五院總體設計部副總設計師黃震,“火藥雕刻師”、中國航天科技集團有限公司四院7416廠班組長徐立平,以及來自中國科學院國家天文台的武向平院士、苟利軍教授,回答“花式”問題,為大家講述太空奧秘和故事。

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“地球會被黑洞吸進去嗎?”近日,一位小朋友在“太空請回答——科學探索特別活動”中向苟利軍問道。

苟利軍是中國科學院國家天文台研究員、中國科學院大學教授,還是一位75后“科普達人”。他已記不清回答過多少次這一問題,但樂此不疲。這次,他在國家天文台的辦公室裡認真錄下了這一問題的答案。

在他辦公室的門上,貼著兩張A4紙般大小的黑洞吸積示意圖。圖中的黑洞正用力拖拽著捕獲到的時空向下旋轉,劃出的光帶匯集成一個明亮的吸積盤。光最終消失在黑洞的邊緣,一切都將不可避免地被拉向黑洞的深處,而拖著“長尾巴”的噴流有些僥幸,正在以近乎光速的速度逃竄。

有科學家估測,在銀河系中,除了位於中心的超大質量黑洞之外,約有上億個恆星級別黑洞。目前,天文界探測到的恆星級別的黑洞數量不足100個——而這些便是苟利軍的研究對象,測量黑洞的基本參數,用數據來說明黑洞的觀測特征,描述黑洞的存在形式,用他的話來說,好比在給黑洞“畫像”。

“畫像”的關鍵,在於測量黑洞的質量和自旋速度。

黑洞是宇宙中最為神秘的天體,又是最簡單的天體,與它相關的物理量隻有質量、自旋和電荷。若知曉黑洞的質量、自旋速度,便可通過愛因斯坦的相對論物理定律,推斷出黑洞的所有性質:大小、引力強度、視界在赤道附近因離心力向外延伸的程度等。

美國物理學家、電影《星際穿越》科學顧問基普·索恩稱,“這很神奇,與我們的日常經驗相當不符。這就好像你一旦知道了我的體重和奔跑速度,就能推斷出我的一切事情,包括我眼睛的顏色、鼻子的長度和智商這些一樣……”

黑洞的質量並不難測。苟利軍告訴中青報·中青網記者,黑洞周圍往往存在著伴星或氣體以黑洞為中心進行旋轉,通過望遠鏡探測出伴星或氣體的旋轉速度及其與黑洞的距離,可通過開普勒公式測出黑洞的質量——當然,這只是其中一種方法。

測量黑洞的自轉速度要難得多。以恆星級黑洞為例,伴星通常位於黑洞之外幾百萬公裡的軌道上,而黑洞自轉所產生的影響效應僅局限於距離黑洞幾百公裡的范圍內。遺憾的是,目前最先進的望遠鏡也無法分辨出這麼小范圍內的變化。

纏繞在黑洞邊緣的吸積盤成為苟利軍的一個突破口。理論上講,不同轉速的黑洞會對吸積盤氣體的輻射光譜、溫度等物理量造成不同影響,比如距離黑洞越近,氣體的溫度越高,因此可以通過拍攝並且分析光譜來推算黑洞的轉速。

正是用這一被稱為“連續譜擬合”的方法,苟利軍及其學生和來自澳大利亞、美國的科學家對人類發現的第一個恆星級黑洞“天鵝座X-1”進行了測量,發現這一相當於21倍太陽質量的“龐然大物”正在以至少95%的光速自轉。這一發現被刊登於2021年2月19日的頂級期刊《科學》。

截至目前,天文界精確測量的黑洞共20多個。苟利軍及其團隊主導測量了其中10多個黑洞的自旋速度,“有的自旋速度接近光速,有的轉得非常慢,約為光速的10%”。

“這看起來是一項細微的工作,但蘊含著拓展科學邊界的可能性。”苟利軍說,黑洞形成於大質量恆星的坍縮,研究黑洞不僅可以知道黑洞本身的性質,對研究現有的黑洞很重要,更為重要的是可以對黑洞的形成歷史作出一個更好的限制。

盡管研究黑洞已有20多年,但第一次看到電影《星際穿越》中出現的黑洞畫面時,大熒幕前的苟利軍仍深感震撼。距離該電影上映已近8年,如今聊起影片中的黑洞高清圖景,還可感受到苟利軍眼中的光,他說自己仍有些心潮澎湃。

了解到該電影的科學顧問、物理學家基普·索恩還寫了一本同名科普書籍《星際穿越》,介紹電影背后的科學故事,苟利軍在看完電影的第二天,便毫不猶豫地給基普·索恩寫了封郵件,熱切希望翻譯這本書,並最終得以成行。

除了自身的興趣,苟利軍翻譯該書還夾雜著更多的期待——想借此將天文學這一“冷門”學科,以及自己所研究的這一“小眾”課題介紹給更多人,“天文學屬於基礎學科,若沒有基礎學科的支撐,社會很難有根本性或顛覆性的創新”。

就這樣,苟利軍意外地開啟了他的科普之路。

他翻譯了多本天文科普著作,在其中一本書的譯后記中寫道,希望讀者“能夠對宇宙神秘天體多一分了解,少一分神秘,從而擴展自己的知識疆域”。

出於對科普的喜愛,2019年他還兼任了《中國國家天文》雜志的執行主編。說來,苟利軍印象中第一次看到“黑洞”一詞,便是在一本目前已停刊的雜志《飛碟探索》上,這讓他感到新奇。好奇的他去問父親,對天文了解不多的父親從字典中找出“黑洞”,努力給他解釋。

現在的他成了向別人“解釋”黑洞以及宇宙的人。

他寫了不少傳播甚廣的科普文章,帶讀者“透視”科學家拍攝的首張黑洞照片,傾聽星辰大海的聲音“引力波”。去做科普講座,他認真回答小朋友提出的“地球會不會被黑洞吸進去”或類似問題。他告訴記者,根據英國《自然》的調查顯示,約90%的孩子會對兩類事物感興趣,一類是恐龍,另一類是星空,“對星空的好奇對小孩子來說是非常自然的,要保護好這種好奇心”。

當然,向他拋來的各式問題不局限於黑洞,苟利軍還曾和網友在直播間裡討論“火星上能否種土豆”,有時遇到自己不懂的問題,他回來還會去“補課”。

“平易近人”“為人謙和”“樂於助人”“耐心隨和”,是學生評價苟利軍時使用的高頻詞。賈楠第一次見到苟利軍是在7年前的夏天,那天很熱,國家天文台某報告廳的空調吐著噗噗的冷氣。接近中午,已在那紅色座椅上聽了一上午講座的賈楠有些犯困,苟利軍及其關於黑洞的報告卻讓他一下子清醒了。

具體講了什麼,賈楠已記不清楚,不過苟利軍講座時抑揚頓挫的語調讓他印象深刻,“這在他的科普報告中也有體現,他總能用生動有趣的方式把晦澀難懂的物理知識講解出來”。

再后來,賈楠成了苟利軍的博士生,跟著他做黑洞相關的研究,一起給黑洞“畫像”。

苟利軍打過一個比方,如果說科研是創作一幅“工筆畫”,科普更像是繪就一幅“寫意畫”。“科研要求用精准的數據語言來描述黑洞,科普更像是用‘粗線條’來勾勒宇宙的面貌。”他補充道,相同的是,二者都是在“講故事”。

這無疑是一個關於宇宙的漫長故事。

在尋找故事答案的路上,苟利軍說積極的心態很重要。對他而言,重要的還有——運動,有學生形容他“跑步就像是吃飯”。他還是國家天文台附近某足球場的“常客”,喜歡在綠茵場上肆意揮洒,他說,科研也如這樣一個過程,需要全身心的投入和自由探索。

(中青報·中青網記者 孫慶玲)

(責編:羅昱、高紅霞)

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