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  • 澎湃新闻对话刘继峰:黑洞的故事还未结束

作者:澎湃新闻11-26 13:11分类: 热门

原标题:对话国家天文台副台长刘继峰:人类还要探索哪些黑洞之谜?

2019年,全球首张黑洞照片发布,人类的技术能力已经从间接探知黑洞到直接“看见”它,但黑洞的故事远没有结束。今年未来科学大奖周期间,澎湃新闻(www.thepaper.cn)对话中国科学院国家天文台副台长刘继峰,聊了聊黑洞研究、天文教育等话题。

刘继峰对澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,目前已经可以用多种手段探测黑洞,前期的研究证实了黑洞的存在,测量了黑洞的质量和自转,跨越基本参数阶段后人类将研究更多黑洞之谜,例如测量黑洞的分布,探索黑洞周围的时空扭曲到底是什么样的,“后面我们会有更多的手段去探索更多深入的问题。”

2019年,《自然》发表了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的发现,70倍太阳质量的恒星级黑洞,随后的研究对质量进行了下调,但依然进入了现有恒星演化理论的“禁区”。刘继峰说,已有不同的研究都引发大质量的恒星级黑洞究竟从哪来的问题。目前团队试图将大质量恒星级黑洞的形成问题进行全链条解析。“要去抓黑洞形成的瞬间。但是怎么抓住呢?黑洞的形成是很快的过程。”

要抓到超新星爆炸形成黑洞的瞬间,就要有观测设施能够进行早期观测。“一旦发现超新星爆炸就盯着它看,或者就算没有发现超新星也盯着看。我们提出了 ‘宇宙录像机’的概念。它还可以研究黑洞旁边的时空扭曲模式到底是什么样的。”刘继峰表示,“宇宙录像机”原型机已在研发中,明年夏天原型机将进行安装调试,未来“宇宙录像机”或将架设在青海冷湖。

对于当前的天文教育,他对澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,目前的问题是只重视知识传授,“我们不缺复读机,不缺百度百科,我们缺的是科技创新人才。”天文教育一定要从知识传授型向核心素养培养型转变,围绕学生的成长设计课程、教材、教学方式,激发学生兴趣,让学生在探索中得到肯定。

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大质量恒星级黑洞从哪来?黑洞周围的时空扭曲是什么样?

200多年前,科研人员就设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。直到上世纪60年代美国天体物理学家才命名了“黑洞”。

黑洞是巨大质量集中在一点,形成强大的引力场,连光线也无法逃逸。按照质量大小,黑洞分为恒星级黑洞(不到100倍太阳质量)、中等质量黑洞(100-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。其中,恒星级黑洞由大质量恒星死亡形成,宇宙中有很多。某些恒星在演化接近末期时经历超新星爆炸,爆炸后如果还有残骸剩余,要么是极端致密的中子星,要么就是黑洞。

“以前科研人员都对单个黑洞测质量,测了10来个黑洞,就发现黑洞的分布还挺奇怪,小黑洞没有,大的黑洞有10来个太阳质量。”在天文学家的预言里,宇宙有上亿个黑洞。但过去大约五十年时间里,X射线只暴露了约20颗黑洞,均在3到20倍太阳质量之间。

2019年,《自然》发表了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的研究成果。他们提供了一种利用郭守敬望远镜(LAMOST)的巡天优势寻找黑洞的新方法,发现了70倍太阳质量的恒星级黑洞。他们后续的研究修正了质量到25-35个太阳质量,但是现有理论依然难于产生。

依据现有理论分析,具有类似太阳元素丰度的恒星演化很难形成20倍以上太阳质量的黑洞。因为恒星在形成黑洞前会吹出星风丧失物质,因此恒星级黑洞不会特别重,“一般十几个太阳质量就到头了。”

这颗大质量的恒星级黑洞显然进入了现有恒星演化理论的“禁区”。而激光引力波干涉天文台(LIGO)还曾探测到质量最大的黑洞并合事件:两个分别约为85倍和65倍太阳质量的黑洞合并成一个142倍太阳质量的黑洞,中间损失的等同8倍太阳质量的能量以引力波的形式在宇宙中扩散出来。

刘继峰说,不同研究都指向大质量的恒星级黑洞的存在,也引发了它们究竟从哪来的问题,“原来很简单地认为大质量恒星死了形成大黑洞,小质量星死了形成小黑洞,再小的质量就不形成黑洞。现在已经看到了现有理论必须修改,修改的步伐有多大?事实上现在理论进入了更加混沌的时期,甚至超新星如何形成黑洞也越发不清楚了。”

刘继峰表示,目前团队试图将大质量恒星级黑洞的形成问题进行全链条解析。“要去抓黑洞形成的瞬间。但是怎么抓住呢?黑洞的形成是很快的过程,形成的过程怎么看到?超新星爆炸留下了什么信息?”

设法用望远镜组阵,“宇宙录像机”抓住超新星爆炸形成黑洞的瞬间

要抓到超新星爆炸形成黑洞的瞬间,就要有观测设施能够进行早期观测。

“一旦发现超新星爆炸就盯着它看,或者就算没有发现超新星也盯着看。我们提出了 ‘宇宙录像机’的概念。它还可以研究黑洞旁边的时空扭曲模式到底是什么样的。”

刘继峰说,“宇宙录像机”可以改变观测模式。原来的模式是“巡视”,“来回在天上看,一星期看一遍。但是所谓爆炸瞬间就早期几个小时的事,一星期看一遍怎么能抓住那几个小时呢?有没有一种可能性,对任何一个地方半个小时看它一次?基本的想法就是用望远镜组阵。”

“组阵这谁都想,核心问题是多贵。”刘继峰介绍,美国加州理工大学的1米望远镜视场大,7度×7度将近有50平方度,相当于可以“塞下”200个月亮。如果用它组阵,就需要二三十个望远镜。而这个改造而来的望远镜光改造费就花了3000万美元。“能不能视场小一点?视场小一点单个望远镜是便宜了,但数量上去了。”

但刘继峰表示,依靠国家天文台的力量,通过走自主研发的工业化道路,“宇宙录像机”原型机已在研发中,1米望远镜视场是国外的1/2,但价格降低数倍,明年夏天原型机将进行安装调试,未来“宇宙录像机”或将架设在青海冷湖。

经过30多年发展,我国天文领域国家资金投入力度越来越大,拥有了LAMOST、中国天眼等国家级重大科学设施。刘继峰说,2023年初,我国还将发射爱因斯坦探针(EP)卫星和中法SVOM卫星,2024年发射2米口径的中国空间站巡天望远镜。

在人才积累方面,刘继峰说,30年前全国天文学教授不超过50人,如今已有500多人,天文领域所有就业人数有两三千人,这为后续科学研究提供了支撑。“在将来的10-15年,我们有能力把一个4-6米的紫外光学天文台发射到第二拉格朗日点,探测系外生命信号。”

对于中国的天文研究水平,刘继峰评价,从点上看,中国天文学已有很多达到领先地位的突破;从面上讲,仍有差距。其中一个指标是就业人数,“美国3亿人里有2万天文学家,咱们14亿人里有2000多天文学家。我们整体发展水平还是相对偏低,这个差距等着我们后边这10年20年填补。”

当前天文教育只重知识传授,要向核心素养培养型转变

刘继峰本科和研究生毕业于北京大学,2005年博士毕业于美国密歇根大学天文系,其后进入哈佛大学史密松天文台做博士后研究,获得美国宇航局颁发的“爱因斯坦学者”奖资助,从事天体物理方面的研究工作。

在这里,刘继峰与联邦科学家杰弗里·麦克林托克合作,利用X射线谱特征测量黑洞自转和探测黑洞周围的时空弯曲。2009年起他被聘为史密松天文台独立研究员,从事包括I型超新星前身星的一些工作。

2010年,刘继峰从哈佛大学到国家天文台工作,2011年起在中国科学院大学任岗位教授。2015年,国科大天文学院成立,刘继峰担任学院副院长。

他对澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,当前天文教育的问题是只重视知识传授,“我们不缺复读机,不缺百度百科,我们缺的是科技创新人才。”天文教育一定要从知识传授型向核心素养培养型转变,围绕学生的成长设计课程、教材、教学方式,激发学生兴趣,让学生在探索中得到肯定。

“咱们国家的职业天文学家2000人左右,对天文感兴趣的孩子有多少呢?这个数目就太大了,因为每一个人内心都有一个小宇宙,都对宇宙感兴趣,想去学一学、动手玩一玩。”

初中时期的刘继峰就曾自制望远镜。通过当时《天文爱好者》杂志给订购者提供的邮购目录,他买过两枚凸透镜和用墨汁涂黑的两个纸筒,做了个物理口径只有5厘米的伽利略式简易望远镜,还拉着同学调试着玩,对天文的兴趣也越来越浓。

刘继峰介绍,在高等教育方面,目前国科大天文学院正在开展小天眼探索社区项目。“我们让天眼科学家团队设计科创课题,给学生讲天眼是怎么工作的,带着他们试图复制一个小天眼。”

天眼是500米口径的球面射电望远镜,“我们做一个20米口径的小天眼,让学生自己操作,不光是天文系的学生,我们也会把其他专业的学生拉进来,小天眼能真正工作,可以看木星升起来,看银心的射电。”

改革的成果将应用于中小学教育。“我们现在正在筹建一个全国性天文科学教育联盟,集合各种资源,包括职业天文学家提供权威性的教材、课程、课题指导,集合权威的专业天文机构提供支撑保障,提供设备标准化方案、运行方案和维护服务。”刘继峰表示,联盟就是要帮助学生在自我驱动下创新。

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