银河系中心黑洞首张照片

    如果一个人在路上真的遇到黑洞，一种可能是他会被吸进去，但也有可能在他被吸进去之前，黑洞就已经蒸发了。

文/《环球》杂志记者 彭茜 编辑/张海鑫

　　在诸多科幻小说和电影中，黑洞都是一个超级神奇的存在，它是实现时空旅行的“基础设施”，也是有着吞噬一切物质力量的神秘天体。在现实中，虽然人类尚未利用黑洞实现“时间旅行”，但也在一步步通过科学观测和研究，揭开黑洞神秘的面纱。

　　北京时间5月12日晚，包括中国在内的全球多地天文学家，同步公布了银河系中心超大质量黑洞——人马座A*（Sgr A*）的照片。这是人类“看见”的第二个黑洞，也是银河系中心超大质量黑洞真实存在的首个直接视觉证据。这个黑洞距离太阳系约2.7万光年，质量超过太阳质量的400万倍。它是目前人类所知距离地球最近的一个超大质量黑洞。

　　什么是黑洞？黑洞里有什么？黑洞是怎么产生的？走在地球上，我们会迎面撞上一个黑洞吗？人类既然已经能给黑洞拍照，那么离利用黑洞进行“时间旅行”还远吗？带着这些问题，《环球》杂志记者近日与清华大学天文系副教授、美国亚利桑那大学天体物理学博士蔡峥进行对谈，一起在黑洞里“脑洞大开”。

黑洞是“空”的？

　　《环球》杂志：什么是黑洞？

　　蔡峥：黑洞是宇宙的一个起点，它的引力足够大，以至于光都跑不出去。黑洞有大有小，如果我们把太阳压缩成地球这么大，太阳就会成为一个黑洞；如果我们把地球压缩成一个小拇指盖大的小球，地球也会变成黑洞。在黑洞中会发生极端时空扭曲。

　　《环球》杂志：黑洞到底是由什么物质组成的？

　　蔡峥：所谓黑洞就是质量压缩到不能再压缩、密度极大的一种东西。但它里边到底是什么我们不得而知，因为任何已知的物质都无法承受黑洞引力造成的压强。换一种说法，也许黑洞只可被称作“空”，因为任何物质或者说“实在”都承受不住黑洞引力。有趣的是，宇宙从某种意义上来说也是一种“空”。因为，绝大多数的物质内部空间都是“空”的。比如你可能觉得原子很实在，但如果用电子去轰击原子，很多电子会直接穿过原子，而不受任何影响，因为原子内部大部分空间是空的。

　　有科学家甚至怀疑，我们的宇宙会不会就处在一个超大黑洞的内部，因为光也无法逃逸出我们的宇宙。所以黑洞到底由什么组成，是一个科学至今都无法回答的、非常深刻的问题。

起点还是终点？

　　《环球》杂志：为什么说宇宙的起点是黑洞？宇宙起点不是大爆炸吗？

　　蔡峥：大爆炸是宇宙的起点，黑洞也是。我们现在通过确定的观测得知黑洞在宇宙大爆炸初期就已经形成。由于黑洞中心的密度大到无限，它成为了一种奇点，“奇”是奇异的奇，即无法用我们已知的物理学去描述的存在。因为研究黑洞的体积，需要用到量子力学，但如果研究黑洞质量又属于广义相对论的范畴。量子力学与广义相对论先天就是矛盾的，但在黑洞和宇宙大爆炸早期，这两种理论又必须统一，只是这种统一的理论我们现在还不知道。黑洞与宇宙大爆炸的起点确实有很多相似之处。

　　《环球》杂志：黑洞的存在对于周边天体有什么意义，它是不可或缺的存在吗？

　　蔡峥：万事万物，大到星系的形成，小到生命的诞生，都跟星系中心的超大黑洞有很大关系。实际上，黑洞是一个星系生长的发动机，由于它巨大的吸积作用，巨量的引力能被转化为光能。这些能量则把一些在黑洞周围吸积盘（是一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构，它是包围黑洞或中子星的气体盘）上，且尚未掉到黑洞里的重元素推到星系的各个角落。黑洞不断把周边天体吸进来，其吸积盘通过高密度旋转、核反应等，不停制造重元素，一些重元素又被巨大的光压推到整个星系。这些重元素最终冷却了整个星系的温度，让恒星、行星得以形成。所以对部分物质来说，黑洞是个终结者，但对另一部分物质来说，黑洞也是一个发动机。

　　《环球》杂志：什么是重元素？它对天体很重要吗？

　　蔡峥：比氢、氦、锂等轻元素重的元素在天文学中都叫做重元素。氢、氦和少量的锂是在宇宙大爆炸时产生的，比锂重的元素跟大爆炸之外的一些天体物理过程紧密相关。比如银河系有了重元素，整个星系里的气体冷却才能加速，进而形成太阳等恒星，以及原初行星盘，并孵化出地球。所以说黑洞是星系形成的发动机，它让星系形成变得更快、更有效率。只要黑洞存在，这个过程就一直持续。

　　《环球》杂志：黑洞自身会发生什么变化？比如银河系黑洞会不会越来越大，最后把整个银河系都吞噬进去？

　　蔡峥：如果银河系一直这么演化下去，黑洞是不会把所有物质都吸进去的。因为银河系是有角动量的，比如说太阳围着黑洞转，只要一直保持这个速度，它就不会被就吸进去。但一旦与别的星系发生碰撞，角动量发生损失，银河系就会全部掉进黑洞。当然，外部星系碰撞是极小概率事件，可能几十亿年才发生一次。

黑洞是黑的，如何成像？

　　《环球》杂志：这次的银河系中心黑洞照片，与人类“拍到”的第一张黑洞“照片”——室女座巨椭圆星系M87中心黑洞，都是由“事件视界望远镜”（EHT）合作组织于2017年拍摄的，两次黑洞照片有何不同？为什么银河系中心黑洞距离地球更近，照片却比遥远的M87中心黑洞“冲洗”出来晚了3年？

　　蔡峥：人类首次拍到的M87黑洞是银河系外的一个质量很大的黑洞，其质量是太阳的65亿倍。这次的人马座A*黑洞是银河系内的黑洞，离我们更近，质量相对较小，超过太阳质量的400万倍，两个黑洞旋转的速度也不一样。

　　银河系人马座A*黑洞照片出来较晚，是因为其“冲洗”难度远高于M87。银河系的黑洞虽然小，但是很活跃，光变比较强烈，而M87的光变很稳定。拍银河系黑洞照片需要的空间分辨率，相当于在北京拍摄位于上海的一根头发丝。

　　《环球》杂志：什么样的设备才能拍摄出黑洞照片？

　　蔡峥：EHT调动全球8台射电望远镜进行拍摄，无限逼近一台镜片直径相当于地球直径的巨型望远镜所拍摄到的结果。这8台射电望远镜主要分布在西半球，包括位于智利、夏威夷、墨西哥等地的多台望远镜组成的超大射电阵，集中了人类最先进的毫米波望远镜。

　　其实拍摄一般只需要4到5天，难的是数据处理，需要很多年。这些望远镜总共拍出的数据量大概有10PB（拍字节）。10PB有多大？假如一部2GB的高清电影需要2小时看完，那么要看完10PB的高清电影，则需要24小时不间断地观看近1200年。多亏有计算机辅助加快了数据处理速度，但依然动用了200多人努力分析四五年，才完成它。

　　《环球》杂志：黑洞是黑的，那么拍摄黑洞的毫米波射电望远镜，是如何捕获到黑洞照片的？

　　蔡峥：射电望远镜捕获到的其实是从黑洞吸积盘上逃逸出来的光子。我们并不是给黑洞成像，而是给快掉进黑洞的那些物质成像。就好比，我们拍摄一个山洞，照片里能看到的其实是山洞外部的山体，并非山洞本身。

　　普通望远镜接收的是可见光，毫米波射电望远镜接收的是天体发出的毫米波。毫米波的优势是波长更长，传播距离更远，抗干扰能力强。比如遇到沙尘暴，可见光、红外光都难以穿透，但毫米波可以穿过。银河系就包裹在一团巨大的尘埃里边，只有毫米波才能穿过。不过用毫米波拍照和红外成像有点像，最终的照片是没有颜色的，因为颜色是可见光的范畴。人们只能根据波长的不同给毫米波照片后期上色。

　　其实人体也在发射毫米波，只不过很弱。如果我们有一个毫米波相机，也可以拍出人类发出的毫米波。美国一些机场安检用的就是毫米波设备，传统X射线安检是用光子穿透你的身体，对人有伤害，而毫米波穿透人的能量更低，对人基本无害。

　　《环球》杂志：通过黑洞照片，我们能够得到哪些信息？

　　蔡峥：将这些实际观测数据与计算机数值模拟进行对比，我们可以再次证明爱因斯坦的广义相对论是对的。另外它也加深了人类对于黑洞本身的认识，比如黑洞的质量、旋转速度等。

“时间旅行”会实现吗？

　　《环球》杂志：美国导演克里斯托弗·诺兰在电影《星际穿越》里实现了黑洞的诸多假说，为全球观众建构了令人惊艳的卡冈图雅黑洞外部和内部的影像。但感觉与这次拍到的黑洞不一样？

　　蔡峥：《星际穿越》用计算机模拟出的超高清卡冈图雅黑洞，并不是真实存在的，它的质量达到了太阳的1亿倍。在电影里，我们相当于乘着宇宙飞船在超近距离观看黑洞，它好像两个扣在一起的草帽，巨大的“帽檐”就是黑洞的吸积盘。

　　《环球》杂志：在黑洞里，时间和空间尺度和现实中有什么不一样？

　　蔡峥：有很大不一样，在黑洞里时空概念是反的，即你在黑洞空间里行走，实际是在穿越时间，可以回到过去，也可以走到未来。比如，在黑洞里你有可能看到爷爷出生时的样子。再比如，现实中我们给中国拍一张全景照片，照相机里是同一时刻中国不同地域的样子，但如果在黑洞里也用这么大视场拍下照片，拍到的则是中国在不同历史时期的样子。

　　因此，如果人类掉进一个黑洞，看到的可能和《星际穿越》主角库珀看到的差不多。他在黑洞里走到不同“屋子”，看见女儿不同时期的样子。《星际穿越》的科学顾问是知名黑洞专家、诺贝尔物理学奖得主基普·索恩，所以电影对黑洞的呈现基本代表了人类对于黑洞认知的最前沿。

　　《环球》杂志：那么我们真的可以利用黑洞实现“时间旅行”吗？

　　蔡峥：利用黑洞进行“时间旅行”在数学理论上看是可行的，但没有被实际验证。理论上，只要有一个黑洞和白洞（一个只发射、不吸收的特殊宇宙天体，与黑洞正好相反）组成一个“虫洞”就可以了。从黑洞进去，白洞出来即可实现“时间旅行”。“虫洞”就像多啦A梦的抽屉，是进行“时间旅行”的隧道。

　　《环球》杂志：《给忙碌者的天体物理》中有很有意思的细节，一个人在地球上走路的时候不太可能迎面遇到一个黑洞，为什么不可能？

　　蔡峥：其实在路上偶遇一种特别小的黑洞是有可能的，只是按照霍金的理论，特别小的黑洞蒸发很快，黑洞越小寿命越短。如果一个人在路上真的遇到黑洞，一种可能是他会被吸进去，但也有可能在他被吸进去之前，黑洞就已经蒸发了。黑洞并不一定在星系空间形成，在地球上也有可能形成，但概率极小。

　　一些科学家反对在中国建造大型对撞机的理由之一，就是声称粒子在大型加速器中碰撞有可能制造出微小黑洞。在高能对撞机中，两个质子碰撞很可能造成局部极端的高密度，如果真碰撞出黑洞，目前没人知道会发生什么。

　　《环球》杂志：如果我们掉进黑洞会发生什么？

　　蔡峥：当一个人往黑洞里掉，观测者会看到这个人运动得越来越慢，最终永恒地定格在黑洞的视界面上，观测者不会越过视界面看到这个人掉入黑洞的过程，因为光无法再从黑洞中逃逸。

　　如果黑洞不太大，那么巨大的潮汐力，会把人拉成面条状（“意大利面化”）。但如果是掉入像《星际穿越》里那样超级巨大的黑洞，引力场会比较均匀，也许不会有这么大的潮汐力。

　　假如人类掉到黑洞里还能活着的话，说不定真能看到《星际穿越》里的场景，我也很好奇。

来源：2022年6月15日出版的《环球》杂志 第12期

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