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狂歡之后的深思——首張黑洞圖像沒有回答的三大問題

編輯:張藝齡 來源:科技日報 發布時間:2019年04月12日
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     狂歡之后的深思—— 首張黑洞圖像沒有回答的三大問題

  左圖 錢德拉X射線望遠鏡與事件視界望遠鏡同時拍攝的照片,顯示了M87星系中心黑洞的“相對論性噴流”。右圖 事件視界望遠鏡拍攝的M87星系中心黑洞圖像。圖片來源:美國趣味科學網站

  4月10日,整個物理學界陷入一場集體狂歡中——位于全球各地的“事件視界望遠鏡”(EHT)拍攝的首張黑洞特寫照片終于面世,這張照片是黑洞存在的直接證據,拉開了黑洞天文學新時代的序幕。

  盡管如此,據美國趣味科學網站10日報道,英國埃默里大學黑洞研究專家艾琳·邦寧說,黑洞的故事遠沒有結束,狂歡之后,我們應該明白,有幾個與黑洞有關的重要問題仍懸而未決。

  黑洞巨大的熱、快物質噴流如何產生?

  中國科學院國家天文臺研究員陸由俊對科技日報記者介紹說:“所有超大質量黑洞都能吞噬附近物質,吸收穿過黑洞事件視界的物質,并以接近光速的速度將其余物質噴射到太空中,天體物理學家稱之為‘相對論性噴流’。”

  比如,此次事件視界望遠鏡的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的噴射而聲名顯赫,它噴射的物質和輻射遍布整個太空。它的“相對論性噴流”如此龐大,以至于它們可以完全逃離周圍的星系。

  物理學家知道這種情況是如何發生的:在物質落入黑洞的引力井時,物質被加速到極快速度,然后其中一些物質“逃之夭夭”。但他們對這種情況發生的細節持不同意見,而最新“出爐”的這張圖像及相關文件尚未提供任何詳細信息。

  邦寧說,要想弄清楚這些細節,需要將覆蓋相當小范圍的事件視界望遠鏡觀測結果與更大的相對論性噴射圖像結合在一起考慮。而且,她認為,隨著位于銀河系中心的超大質量黑洞的圖像問世,我們可能會獲得不少答案。因為銀河系中心超大質量黑洞不像M87星系中心黑洞那樣產生噴流,所以,比較兩張圖像可能會厘清一些問題。

  廣義相對論和量子力學如何統一?

  每當物理學家聚在一起談論一個真正令人激動的新發現時,可能都會有人說:這一新發現或許有助于解釋“量子引力”。量子引力是物理學領域最大的未解之謎,是物理學江湖中的屠龍刀——得之可得天下。

  陸由俊解釋稱,大約一個世紀以來,物理學家使用兩套不同的規則來解釋萬事萬物:他們用廣義相對論來解釋諸如引力這樣的大事;用量子理論來解釋非常小的事物。問題是,這兩套規則難以統一。因為量子力學無法解釋引力;而相對論無法解釋量子行為。

  那萬有引力和量子理論彼此之間就真的“水火不容”嗎?物理學家們可不這么想,他們希望未來有一天,創建出一個大一統理論,將這兩者囊括其中,而這個未問世的大一統理論可能涉及某種量子引力。

  在首張黑洞圖像宣布之前,有科學家猜測,它可能會在此問題上取得些許突破。

  但邦寧對此持不同意見。她解釋說,新圖像沒有提供可能縮小兩個領域之間差距的新物理學。

  但她同時表示,人們希望從新圖像中獲得答案這一想法合情合理,因為黑洞陰影的邊緣將引力帶入微小的量子空間。

  她說:“我們有望在非常非常接近事件視界的地方,或者在宇宙非常非常早期之時,看到量子引力。”

  霍金的理論和愛因斯坦的理論一樣正確嗎?

  據陸由俊介紹,在物理學家職業生涯的早期,斯蒂芬·霍金對物理學的最大貢獻是“霍金輻射”理論。該理論認為,黑洞實際上不是黑色的,隨著時間的推移,它會發出少量輻射。這一點非常重要,因為它表明,一旦黑洞停止生長,它將開始因為能量損失而非常緩慢地收縮。

  邦寧說,事件視界望遠鏡沒有證實或否認這一理論。

  她說,像M87星系中心黑洞那樣的巨型黑洞,與其龐大的體型相比,其發出的霍金輻射可謂“九牛一毛”。雖然我們目前所擁有的最先進的設備可以探測到這些黑洞事件視界的明亮光線,但幾乎無法看清超大質量黑洞表面的超暗閃光,因此,也很難發現其輻射。

  她說,最微小的黑洞可能是獲得這一答案的關鍵。這些最微小黑洞是一些“短命”的天體,其體型小到你可將其整個事件視界握在手中。而且,與這種微小黑洞的體型相比,其輻射相對較多。

  邦寧認為,人類最終有可能會弄清楚如何制造或找到一個這樣的黑洞并且檢測到其輻射,從而驗證霍金理論的正確性。

  黑洞恍如一位遁世的隱者,身上背負著諸多有關宇宙的奧秘,在對其驚鴻一瞥后,對其進行深入研究,將揭示更多秘密,讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。(記者 劉 霞)

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