銀河係中心黑洞首張照片

    如果一個人在路上真的遇到黑洞，一種可能是他會被吸進去，但也有可能在他被吸進去之前，黑洞就已經蒸發了。

文/《環球》雜志記者 彭茜 編輯/張海鑫

　　在諸多科幻小説和電影中，黑洞都是一個超級神奇的存在，它是實現時空旅行的“基礎設施”，也是有著吞噬一切物質力量的神秘天體。在現實中，雖然人類尚未利用黑洞實現“時間旅行”，但也在一步步通過科學觀測和研究，揭開黑洞神秘的面紗。

　　北京時間5月12日晚，包括中國在內的全球多地天文學家，同步公布了銀河係中心超大品質黑洞——人馬座A*（Sgr A*）的照片。這是人類“看見”的第二個黑洞，也是銀河係中心超大品質黑洞真實存在的首個直接視覺證據。這個黑洞距離太陽係約2.7萬光年，品質超過太陽品質的400萬倍。它是目前人類所知距離地球最近的一個超大品質黑洞。

　　什麼是黑洞？黑洞裏有什麼？黑洞是怎麼産生的？走在地球上，我們會迎面撞上一個黑洞嗎？人類既然已經能給黑洞拍照，那麼離利用黑洞進行“時間旅行”還遠嗎？帶著這些問題，《環球》雜志記者近日與清華大學天文係副教授、美國亞利桑那大學天體物理學博士蔡崢進行對談，一起在黑洞裏“腦洞大開”。

黑洞是“空”的？

　　《環球》雜志：什麼是黑洞？

　　蔡崢：黑洞是宇宙的一個起點，它的引力足夠大，以至于光都跑不出去。黑洞有大有小，如果我們把太陽壓縮成地球這麼大，太陽就會成為一個黑洞；如果我們把地球壓縮成一個小拇指蓋大的小球，地球也會變成黑洞。在黑洞中會發生極端時空扭曲。

　　《環球》雜志：黑洞到底是由什麼物質組成的？

　　蔡崢：所謂黑洞就是品質壓縮到不能再壓縮、密度極大的一種東西。但它裏邊到底是什麼我們不得而知，因為任何已知的物質都無法承受黑洞引力造成的壓強。換一種説法，也許黑洞只可被稱作“空”，因為任何物質或者説“實在”都承受不住黑洞引力。有趣的是，宇宙從某種意義上來説也是一種“空”。因為，絕大多數的物質內部空間都是“空”的。比如你可能覺得原子很實在，但如果用電子去轟擊原子，很多電子會直接穿過原子，而不受任何影響，因為原子內部大部分空間是空的。

　　有科學家甚至懷疑，我們的宇宙會不會就處在一個超大黑洞的內部，因為光也無法逃逸出我們的宇宙。所以黑洞到底由什麼組成，是一個科學至今都無法回答的、非常深刻的問題。

起點還是終點？

　　《環球》雜志：為什麼説宇宙的起點是黑洞？宇宙起點不是大爆炸嗎？

　　蔡崢：大爆炸是宇宙的起點，黑洞也是。我們現在通過確定的觀測得知黑洞在宇宙大爆炸初期就已經形成。由于黑洞中心的密度大到無限，它成為了一種奇點，“奇”是奇異的奇，即無法用我們已知的物理學去描述的存在。因為研究黑洞的體積，需要用到量子力學，但如果研究黑洞品質又屬于廣義相對論的范疇。量子力學與廣義相對論先天就是矛盾的，但在黑洞和宇宙大爆炸早期，這兩種理論又必須統一，只是這種統一的理論我們現在還不知道。黑洞與宇宙大爆炸的起點確實有很多相似之處。

　　《環球》雜志：黑洞的存在對于周邊天體有什麼意義，它是不可或缺的存在嗎？

　　蔡崢：萬事萬物，大到星係的形成，小到生命的誕生，都跟星係中心的超大黑洞有很大關係。實際上，黑洞是一個星係生長的發動機，由于它巨大的吸積作用，巨量的引力能被轉化為光能。這些能量則把一些在黑洞周圍吸積盤（是一種由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤）上，且尚未掉到黑洞裏的重元素推到星係的各個角落。黑洞不斷把周邊天體吸進來，其吸積盤通過高密度旋轉、核反應等，不停制造重元素，一些重元素又被巨大的光壓推到整個星係。這些重元素最終冷卻了整個星係的溫度，讓恒星、行星得以形成。所以對部分物質來説，黑洞是個終結者，但對另一部分物質來説，黑洞也是一個發動機。

　　《環球》雜志：什麼是重元素？它對天體很重要嗎？

　　蔡崢：比氫、氦、鋰等輕元素重的元素在天文學中都叫做重元素。氫、氦和少量的鋰是在宇宙大爆炸時産生的，比鋰重的元素跟大爆炸之外的一些天體物理過程緊密相關。比如銀河係有了重元素，整個星係裏的氣體冷卻才能加速，進而形成太陽等恒星，以及原初行星盤，並孵化出地球。所以説黑洞是星係形成的發動機，它讓星係形成變得更快、更有效率。只要黑洞存在，這個過程就一直持續。

　　《環球》雜志：黑洞自身會發生什麼變化？比如銀河係黑洞會不會越來越大，最後把整個銀河係都吞噬進去？

　　蔡崢：如果銀河係一直這麼演化下去，黑洞是不會把所有物質都吸進去的。因為銀河係是有角動量的，比如説太陽圍著黑洞轉，只要一直保持這個速度，它就不會被就吸進去。但一旦與別的星係發生碰撞，角動量發生損失，銀河係就會全部掉進黑洞。當然，外部星係碰撞是極小概率事件，可能幾十億年才發生一次。

黑洞是黑的，如何成像？

　　《環球》雜志：這次的銀河係中心黑洞照片，與人類“拍到”的第一張黑洞“照片”——室女座巨橢圓星係M87中心黑洞，都是由“事件視界望遠鏡”（EHT）合作組織于2017年拍攝的，兩次黑洞照片有何不同？為什麼銀河係中心黑洞距離地球更近，照片卻比遙遠的M87中心黑洞“衝洗”出來晚了3年？

　　蔡崢：人類首次拍到的M87黑洞是銀河係外的一個品質很大的黑洞，其品質是太陽的65億倍。這次的人馬座A*黑洞是銀河係內的黑洞，離我們更近，品質相對較小，超過太陽品質的400萬倍，兩個黑洞旋轉的速度也不一樣。

　　銀河係人馬座A*黑洞照片出來較晚，是因為其“衝洗”難度遠高于M87。銀河係的黑洞雖然小，但是很活躍，光變比較強烈，而M87的光變很穩定。拍銀河係黑洞照片需要的空間分辨率，相當于在北京拍攝位于上海的一根頭髮絲。

　　《環球》雜志：什麼樣的設備才能拍攝出黑洞照片？

　　蔡崢：EHT調動全球8臺射電望遠鏡進行拍攝，無限逼近一臺鏡片直徑相當于地球直徑的巨型望遠鏡所拍攝到的結果。這8臺射電望遠鏡主要分布在西半球，包括位于智利、夏威夷、墨西哥等地的多臺望遠鏡組成的超大射電陣，集中了人類最先進的毫米波望遠鏡。

　　其實拍攝一般只需要4到5天，難的是數據處理，需要很多年。這些望遠鏡總共拍出的數據量大概有10PB（拍字節）。10PB有多大？假如一部2GB的高清電影需要2小時看完，那麼要看完10PB的高清電影，則需要24小時不間斷地觀看近1200年。多虧有電腦輔助加快了數據處理速度，但依然動用了200多人努力分析四五年，才完成它。

　　《環球》雜志：黑洞是黑的，那麼拍攝黑洞的毫米波射電望遠鏡，是如何捕獲到黑洞照片的？

　　蔡崢：射電望遠鏡捕獲到的其實是從黑洞吸積盤上逃逸出來的光子。我們並不是給黑洞成像，而是給快掉進黑洞的那些物質成像。就好比，我們拍攝一個山洞，照片裏能看到的其實是山洞外部的山體，並非山洞本身。

　　普通望遠鏡接收的是可見光，毫米波射電望遠鏡接收的是天體發出的毫米波。毫米波的優勢是波長更長，傳播距離更遠，抗幹擾能力強。比如遇到沙塵暴，可見光、紅外光都難以穿透，但毫米波可以穿過。銀河係就包裹在一團巨大的塵埃裏邊，只有毫米波才能穿過。不過用毫米波拍照和紅外成像有點像，最終的照片是沒有顏色的，因為顏色是可見光的范疇。人們只能根據波長的不同給毫米波照片後期上色。

　　其實人體也在發射毫米波，只不過很弱。如果我們有一個毫米波相機，也可以拍出人類發出的毫米波。美國一些機場安檢用的就是毫米波設備，傳統X射線安檢是用光子穿透你的身體，對人有傷害，而毫米波穿透人的能量更低，對人基本無害。

　　《環球》雜志：通過黑洞照片，我們能夠得到哪些資訊？

　　蔡崢：將這些實際觀測數據與電腦數值模擬進行對比，我們可以再次證明愛因斯坦的廣義相對論是對的。另外它也加深了人類對于黑洞本身的認識，比如黑洞的品質、旋轉速度等。

“時間旅行”會實現嗎？

　　《環球》雜志：美國導演克裏斯托弗·諾蘭在電影《星際穿越》裏實現了黑洞的諸多假説，為全球觀眾建構了令人驚艷的卡岡圖雅黑洞外部和內部的影像。但感覺與這次拍到的黑洞不一樣？

　　蔡崢：《星際穿越》用電腦模擬出的超高清卡岡圖雅黑洞，並不是真實存在的，它的品質達到了太陽的1億倍。在電影裏，我們相當于乘著宇宙飛船在超近距離觀看黑洞，它好像兩個扣在一起的草帽，巨大的“帽檐”就是黑洞的吸積盤。

　　《環球》雜志：在黑洞裏，時間和空間尺度和現實中有什麼不一樣？

　　蔡崢：有很大不一樣，在黑洞裏時空概念是反的，即你在黑洞空間裏行走，實際是在穿越時間，可以回到過去，也可以走到未來。比如，在黑洞裏你有可能看到爺爺出生時的樣子。再比如，現實中我們給中國拍一張全景照片，照相機裏是同一時刻中國不同地域的樣子，但如果在黑洞裏也用這麼大視場拍下照片，拍到的則是中國在不同歷史時期的樣子。

　　因此，如果人類掉進一個黑洞，看到的可能和《星際穿越》主角庫珀看到的差不多。他在黑洞裏走到不同“屋子”，看見女兒不同時期的樣子。《星際穿越》的科學顧問是知名黑洞專家、諾貝爾物理學獎得主基普·索恩，所以電影對黑洞的呈現基本代表了人類對于黑洞認知的最前沿。

　　《環球》雜志：那麼我們真的可以利用黑洞實現“時間旅行”嗎？

　　蔡崢：利用黑洞進行“時間旅行”在數學理論上看是可行的，但沒有被實際驗證。理論上，只要有一個黑洞和白洞（一個只發射、不吸收的特殊宇宙天體，與黑洞正好相反）組成一個“蟲洞”就可以了。從黑洞進去，白洞出來即可實現“時間旅行”。“蟲洞”就像多啦A夢的抽屜，是進行“時間旅行”的隧道。

　　《環球》雜志：《給忙碌者的天體物理》中有很有意思的細節，一個人在地球上走路的時候不太可能迎面遇到一個黑洞，為什麼不可能？

　　蔡崢：其實在路上偶遇一種特別小的黑洞是有可能的，只是按照霍金的理論，特別小的黑洞蒸發很快，黑洞越小壽命越短。如果一個人在路上真的遇到黑洞，一種可能是他會被吸進去，但也有可能在他被吸進去之前，黑洞就已經蒸發了。黑洞並不一定在星係空間形成，在地球上也有可能形成，但概率極小。

　　一些科學家反對在中國建造大型對撞機的理由之一，就是聲稱粒子在大型加速器中碰撞有可能制造出微小黑洞。在高能對撞機中，兩個質子碰撞很可能造成局部極端的高密度，如果真碰撞出黑洞，目前沒人知道會發生什麼。

　　《環球》雜志：如果我們掉進黑洞會發生什麼？

　　蔡崢：當一個人往黑洞裏掉，觀測者會看到這個人運動得越來越慢，最終永恒地定格在黑洞的視界面上，觀測者不會越過視界面看到這個人掉入黑洞的過程，因為光無法再從黑洞中逃逸。

　　如果黑洞不太大，那麼巨大的潮汐力，會把人拉成麵條狀（“意大利面化”）。但如果是掉入像《星際穿越》裏那樣超級巨大的黑洞，引力場會比較均勻，也許不會有這麼大的潮汐力。

　　假如人類掉到黑洞裏還能活著的話，説不定真能看到《星際穿越》裏的場景，我也很好奇。

來源：2022年6月15日出版的《環球》雜志 第12期

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