科普先锋丨中山大学物理与天文学院申荣锋：等黑洞吃饱了，就能看见它
申荣锋 中山大学物理与天文学院副教授、博士生导师。武汉理工大学学士，中国科学院高能物理研究所硕士，美国得克萨斯大学奥斯汀分校博士。研究方向为和黑洞相关的爆发性天文暂现源。主持国家自然科学基金面上项目“大质量黑洞潮汐瓦解恒星事件中的动力学和辐射性质”。
不发光的黑洞，如何证实它的存在？黑洞能够撕碎行星？在神秘的外太空，黑洞到底隐藏着多少秘密？中山大学物理与天文学院副教授申荣锋在2019年第四季度广州的一场公开演讲中，通过日常生活中吃的动作，“再现”了黑洞是怎样“打饱嗝”的，他以恰如其分的比喻把晦涩难懂的专业知识巧妙地科普给了受众。
人类发现的第一个黑洞
作为宇宙空间中的一种天体，黑洞的引力极其强大，任何光子也逃不出它的引力束缚范围。也就是说，黑洞不辐射便不能被看见，只能借由物体被吸入之前的因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出X射线和γ射线，获取黑洞存在的讯息。
上世纪60、70年代，人类将X射线探测器发射到太空中，发现太空中有若干个发射强X射线的源。X射线来源于什么地方？它不太可能来自一个普通的恒星，因为恒星表面温度不够高。这便有了一个猜测——可能是一颗双星，其中一颗是恒星，另一个是致密天体。
让霍金输掉1975年赌约的天鹅座X1
“在人类发现的X射线源中，其中叫做天鹅座X1的源特别亮。”申荣锋饶有兴致地分享道，“关于这个源，有两位著名物理学家还打了一个赌，并设立了一个赌约，一位是毕生研究黑洞的霍金，另外一位是前年获得诺贝尔奖的基普索恩。”霍金就说，如果天鹅座X1被证实是黑洞他就输了，最后天鹅座X1被确认是一个真正的黑洞。
天鹅座X1黑洞的质量是太阳质量的14倍
那么，天鹅座X1要如何被证明是一个真正的黑洞？申荣锋解释道，当恒星死亡时，它的内核塌缩形成致密星，如果要形成黑洞，需要非常大质量的恒星。“最终黑洞形成的质量比太阳质量还要大3倍，其他致密天体的质量要小于这个数值。”申荣锋说，只要能够精确地测量致密天体的质量，就可以知道它是不是黑洞。在光学上，我们只可以看到大的恒星，通过测量它的速度随着时间的变化，就可以知道这个致密星的质量。
申荣锋介绍道，天鹅座X1中的黑洞是太阳质量的14倍，被称为“恒星质量级”黑洞。宇宙中有更大质量级的黑洞，被称为“超大级质量黑洞”，它们都处于星系中心。
在星系中心，存在很多气体，这些气体提供了黑洞的“食物”，以一个盘的形式往黑洞里旋进。就像把洗脸池的塞子拔掉之后，储蓄的水会旋转着往下水口运动一样。“人类拍到的第一张黑洞照片——M87的星系中心，中心黑色区域就是黑洞造成的阴影，周围环状的就是这些气体盘形成的影像。”申荣锋说。
第一张黑洞照片——M87星系中心
探索冬眠中的黑洞就像吃面包
放眼宇宙，几乎每个星系都存在超大质量黑洞，但是每个星系当中并不一定有大量气体存在。也就是说绝大多数星系没有足够的“食物”供应，黑洞不会发光，处于“冬眠”状态。
“大自然给我们提供了一种观测的方式，这些黑洞可能有偶然的机会吞噬一颗恒星。当一颗恒星运动到一个黑洞的附近，然后完全被拉碎，被拉碎了的恒星的残骸气体互相碰撞，它们的轨道会变得越来越圆，最终形成一个盘，盘的辐射就会非常亮。”在冬眠的黑洞被突然“喂”进大量的“食物”，就会发光，给人类可以探索的机会。
恒星残骸气体重新返回黑洞附近
这个过程具体分为以下步骤：第一步，恒星要被先“切开”（潮汐瓦解）。“就像吃面包一样，要把它拉开，这是通过黑洞的潮汐力来实现的。我们常见的潮汐力例子发生在地球和月亮之间，当地球朝向月亮或者是背离月亮时，受到的引力不一样，这就是海水潮起潮落的原因。”申荣锋解释。恒星像拉面条一样运动，组成恒星的物质就会变得非常弥散。
第一步，恒星被“切开”
第二步，“咽下”（吸积气体残骸）。恒星被撕碎后，这些气体重新相互碰撞，它们的轨道则会变得越来越圆，最终形成一个盘，这些气体在盘里流向黑洞，被黑洞吞噬掉。
第二步，吸积气体残骸
第三步，“打个饱嗝儿”（产生耀发辐射）。气体在被吞噬掉的过程当中会产生很强的电磁波的辐射，称为耀发的辐射，就像黑洞吃了食物之后会打一个饱嗝儿一样。当人们探测到这些辐射，就可以知道某一个星系的中心确实存在这样的黑洞。
第三步，产生耀发辐射
“将硬币掷到十公里之外
路面下水道口”的概率
1988年至今，人类大概共探测到30例恒星被潮汐瓦解事件，这是因为这样的事件非常稀少。恒星要被黑洞的潮汐瓦解，它离黑洞的距离必须要非常近，而最初这些恒星所居住的区域离黑洞的距离，与当它被瓦解时的距离的比值是100万比1或者是1000万比1。可以想象，这些恒星能够运动到离黑洞附近的概率很小。
如果恒星与恒星相遇了，就能把一颗恒星带到黑洞附近。这个过程就像在打台球，但是恒星彼此却没有碰到对方，而是在碰到对方之间，两者之间的引力就把恒星运动轨道改变了，这就是引力散射的过程。“这个概率非常低，好比你要将硬币掷到十公里之外路面的下水道口，而下水道口有个盖子，盖子上有一格一格的空隙。”申荣锋比喻道。
早在申荣锋2011年读博士的时候，就对黑洞方面的研究非常感兴趣。“我觉得恒星瓦解的过程非常有趣。除了它的亮度衰减特征之外，还有其他值得研究的方向。比如这个黑洞是快速旋转的，旋转的特性会影响气体回落形成盘的过程，在亮度变化曲线里有什么特征？”他也提到，恒星运动到离黑洞很近的地方，被瓦解的过程中存在比较强的引力波辐射，这是一个全新研究天体的手段。
“但是我们需要观测到更多这样的事例，需要在某一时刻，能够对大面积的天空进行同时观测。”申荣锋表示，这样的研究需要比较灵敏且观测区域较大的望远镜，比如中国正在建造的爱因斯坦探针望远镜。“我们期待未来有更多这样的事例，同时会发现更多的黑洞，并对黑洞如何潮汐瓦解的过程有更加清楚的了解。”他说道。
国家天文台X射线成像实验室研制的龙虾眼光学组件样机
申荣锋讲述宇宙黑洞
本文整合编辑：彭乐怡（实习生）
审核：胡漫雨
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