狂欢之后的深思——首张黑洞图像没有回答的三大问题

2019-04-12 16:41:34 来源: 科技日报

左图 钱德拉X射线望远镜与事件视界望远镜同时拍摄的照片,显示了M87星系中心黑洞的“相对论性喷流”。

右图 事件视界望远镜拍摄的M87星系中心黑洞图像。

图片来源:美国趣味科学网站

4月10日,整个物理学界陷入一场集体狂欢中——位于全球各地的“事件视界望远镜”(EHT)拍摄的首张黑洞特写照片终于面世,这张照片是黑洞存在的直接证据,拉开了黑洞天文学新时代的序幕。

尽管如此,据美国趣味科学网站10日报道,英国埃默里大学黑洞研究专家艾琳·邦宁说,黑洞的故事远没有结束,狂欢之后,我们应该明白,有几个与黑洞有关的重要问题仍悬而未决。

黑洞巨大的热、快物质喷流如何产生?

中国科学院国家天文台研究员陆由俊对科技日报记者介绍说:“所有超大质量黑洞都能吞噬附近物质,吸收穿过黑洞事件视界的物质,并以接近光速的速度将其余物质喷射到太空中,天体物理学家称之为‘相对论性喷流’。”

比如,此次事件视界望远镜的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的喷射而声名显赫,它喷射的物质和辐射遍布整个太空。它的“相对论性喷流”如此庞大,以至于它们可以完全逃离周围的星系。

物理学家知道这种情况是如何发生的:在物质落入黑洞的引力井时,物质被加速到极快速度,然后其中一些物质“逃之夭夭”。但他们对这种情况发生的细节持不同意见,而最新“出炉”的这张图像及相关文件尚未提供任何详细信息。

邦宁说,要想弄清楚这些细节,需要将覆盖相当小范围的事件视界望远镜观测结果与更大的相对论性喷射图像结合在一起考虑。而且,她认为,随着位于银河系中心的超大质量黑洞的图像问世,我们可能会获得不少答案。因为银河系中心超大质量黑洞不像M87星系中心黑洞那样产生喷流,所以,比较两张图像可能会厘清一些问题。

广义相对论和量子力学如何统一?

每当物理学家聚在一起谈论一个真正令人激动的新发现时,可能都会有人说:这一新发现或许有助于解释“量子引力”。量子引力是物理学领域最大的未解之谜,是物理学江湖中的屠龙刀——得之可得天下。

陆由俊解释称,大约一个世纪以来,物理学家使用两套不同的规则来解释万事万物:他们用广义相对论来解释诸如引力这样的大事;用量子理论来解释非常小的事物。问题是,这两套规则难以统一。因为量子力学无法解释引力;而相对论无法解释量子行为。

那万有引力和量子理论彼此之间就真的“水火不容”吗?物理学家们可不这么想,他们希望未来有一天,创建出一个大一统理论,将这两者囊括其中,而这个未问世的大一统理论可能涉及某种量子引力。

在首张黑洞图像宣布之前,有科学家猜测,它可能会在此问题上取得些许突破。

但邦宁对此持不同意见。她解释说,新图像没有提供可能缩小两个领域之间差距的新物理学。

但她同时表示,人们希望从新图像中获得答案这一想法合情合理,因为黑洞阴影的边缘将引力带入微小的量子空间。

她说:“我们有望在非常非常接近事件视界的地方,或者在宇宙非常非常早期之时,看到量子引力。”

霍金的理论和爱因斯坦的理论一样正确吗?

据陆由俊介绍,在物理学家职业生涯的早期,斯蒂芬·霍金对物理学的最大贡献是“霍金辐射”理论。该理论认为,黑洞实际上不是黑色的,随着时间的推移,它会发出少量辐射。这一点非常重要,因为它表明,一旦黑洞停止生长,它将开始因为能量损失而非常缓慢地收缩。

邦宁说,事件视界望远镜没有证实或否认这一理论。

她说,像M87星系中心黑洞那样的巨型黑洞,与其庞大的体型相比,其发出的霍金辐射可谓“九牛一毛”。虽然我们目前所拥有的最先进的设备可以探测到这些黑洞事件视界的明亮光线,但几乎无法看清超大质量黑洞表面的超暗闪光,因此,也很难发现其辐射。

她说,最微小的黑洞可能是获得这一答案的关键。这些最微小黑洞是一些“短命”的天体,其体型小到你可将其整个事件视界握在手中。而且,与这种微小黑洞的体型相比,其辐射相对较多。

邦宁认为,人类最终有可能会弄清楚如何制造或找到一个这样的黑洞并且检测到其辐射,从而验证霍金理论的正确性。

黑洞恍如一位遁世的隐者,身上背负着诸多有关宇宙的奥秘,在对其惊鸿一瞥后,对其进行深入研究,将揭示更多秘密,让我们更好地了解宇宙、了解我们自身。(记者 刘 霞)

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