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    光明日报 2019年11月28日 星期四

    中国科学院国家天文台研究员苟利军:

    黑洞研究的历史

    作者:苟利军 《光明日报》( 2019年11月28日 16版)

        黑洞本身是一个引力非常强的天体,要追溯黑洞的历史,要追溯到人们对万有引力的认识。

        万有引力的发现可以追溯到17世纪,牛顿坐在苹果树下面看到苹果掉下来,激发了灵感。他不仅仅意识到这种现象,而且写下了公式,那就是有关于引力的万有引力公式。在此基础之上,牛顿得到了人们所熟知的逃逸速度公式。

        在此之后,更多科学家根据牛顿的理论作了进一步的应用和推广。在18世纪的法国,数学家拉普拉斯想象在宇宙当中有可能会存在着一种天体,它非常致密,以至于从它自身发出的光都不能够从它周围逃脱出来。现在看来这天体就是最朴素的对于黑洞的一种想法。

        到了19世纪,更多科学家的观测对于牛顿的理论提出了一些挑战。到20世纪初的时候,物理学家爱因斯坦首先提出了狭义相对论,在十年之后又提出了广义相对论,对引力提出了颠覆性的认识,比如认为引力场其实并不是由质量引起的,而是时空被质量、有质量物体弯曲以后的效应。

        在爱因斯坦1915年提出广义相对论之后的几个月,德籍物理学家史瓦西得到了精确的爱因斯坦场方程解,这就是“没有转动黑洞的史瓦西解”。在史瓦西1916年得到这个解之后的几十年间,黑洞研究的进展其实非常缓慢。

        在20世纪30年代末,美国的原子弹之父奥文海默和他的学生得到了一种学说:恒星在死亡塌缩的时候有可能塌缩成一个致密的奇点,并且推导出了这个质量的下限,3.2个太阳质量左右。

        当时间进入20世纪60年代的时候,黑洞的研究迎来了两项突破性进展:1963年新西兰的数学家罗伊·克尔通过数学求解的方式第一次精确得到了爱因斯坦场方程的带有旋转黑洞的精确解。1964年,用观测方法发现了第一颗恒星级的黑洞。正是理论和观测同时的突破,使得黑洞研究领域迎来了它的黄金时代,在接下来的二三十年,一大批天文学家、物理学家投身于这个领域。现在人们所知道的有关于黑洞知识基本上都是在这段时间内得到的。

        在这一时期,有一位非常知名的相对论物理大师——普林斯顿大学的教授约翰·惠勒,他不仅学术研究非常出色,而且在科学传播方面也做了非常多的工作。黑洞这个名字经过他的推广,才得以被众人所知。另外,虫洞这个名词也是他提出的。

        在惠勒之后,霍金进一步发现了所谓的霍金辐射,改变了之前经典广义相对论对于黑洞的认识。

        到目前为止,科学家已经发现了非常多的黑洞,通过质量可以把它们分解为三大类:

        一类是恒星量级的黑洞,也就是说它的质量可以从3倍太阳质量到100个太阳质量之间。

        第二类称之为超大质量的黑洞,它的质量起点是几十万倍的太阳质量,或者上百万倍的太阳质量,一直到几十亿倍甚至于上百亿倍的太阳质量。介于其中的这一类黑洞,称之为中等质量的黑洞。但是对于中等质量的黑洞,现在观测的直接证据非常少,但是理论研究证明,它们应该是存在的,所以寻找中等质量的黑洞也是目前研究的一个热门课题。

        对于黑洞,它可以说是宇宙当中最为神奇,也是最为简单的一类天体。对于黑洞,只需要3个物理量就可以描述它,一个是它的质量,一个是它的转动,另外一个就是它的电荷。

        在宇宙当中,气体几乎都是以等离子体状态存在,会存在非常多的自由电荷。如果一个黑洞带电,那很容易吸附周围的带电粒子而达到电力平衡。所以最终只剩下两个物理量,一个质量,一个转动,这个时候,就可以通过所谓的克尔度规来完整描述天体物理学当中的黑洞,科学家主要的任务就是测量黑洞的这两个基本量。

        在银河系中,按照理论,还应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。但遗憾的是人类到目前为止仅仅探测到了几十个,而且只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量,其他将近上亿个的黑洞,现在并没有探测到。

        (作者:苟利军,系中国科学院国家天文台研究员)

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