天文學(xué)家茍利軍：給黑洞“畫(huà)像”的人

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“地球會(huì)被黑洞吸進(jìn)去嗎？”近日，一位小朋友在“太空請(qǐng)回答——科學(xué)探索特別活動(dòng)”中向茍利軍問(wèn)道。

茍利軍是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授，還是一位75后“科普達(dá)人”。他已記不清回答過(guò)多少次這一問(wèn)題，但樂(lè)此不疲。這次，他在國(guó)家天文臺(tái)的辦公室里認(rèn)真錄下了這一問(wèn)題的答案。

在他辦公室的門(mén)上，貼著兩張A4紙般大小的黑洞吸積示意圖。圖中的黑洞正用力拖拽著捕獲到的時(shí)空向下旋轉(zhuǎn)，劃出的光帶匯集成一個(gè)明亮的吸積盤(pán)。光最終消失在黑洞的邊緣，一切都將不可避免地被拉向黑洞的深處，而拖著“長(zhǎng)尾巴”的噴流有些僥幸，正在以近乎光速的速度逃竄。

有科學(xué)家估測(cè)，在銀河系中，除了位于中心的超大質(zhì)量黑洞之外，約有上億個(gè)恒星級(jí)別黑洞。目前，天文界探測(cè)到的恒星級(jí)別的黑洞數(shù)量不足100個(gè)——而這些便是茍利軍的研究對(duì)象，測(cè)量黑洞的基本參數(shù)，用數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明黑洞的觀測(cè)特征，描述黑洞的存在形式，用他的話來(lái)說(shuō)，好比在給黑洞“畫(huà)像”。

“畫(huà)像”的關(guān)鍵，在于測(cè)量黑洞的質(zhì)量和自旋速度。

黑洞是宇宙中最為神秘的天體，又是最簡(jiǎn)單的天體，與它相關(guān)的物理量只有質(zhì)量、自旋和電荷。若知曉黑洞的質(zhì)量、自旋速度，便可通過(guò)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論物理定律，推斷出黑洞的所有性質(zhì)：大小、引力強(qiáng)度、視界在赤道附近因離心力向外延伸的程度等。

美國(guó)物理學(xué)家、電影《星際穿越》科學(xué)顧問(wèn)基普·索恩稱，“這很神奇，與我們的日常經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)不符。這就好像你一旦知道了我的體重和奔跑速度，就能推斷出我的一切事情，包括我眼睛的顏色、鼻子的長(zhǎng)度和智商這些一樣……”

黑洞的質(zhì)量并不難測(cè)。茍利軍告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，黑洞周圍往往存在著伴星或氣體以黑洞為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)出伴星或氣體的旋轉(zhuǎn)速度及其與黑洞的距離，可通過(guò)開(kāi)普勒公式測(cè)出黑洞的質(zhì)量——當(dāng)然，這只是其中一種方法。

測(cè)量黑洞的自轉(zhuǎn)速度要難得多。以恒星級(jí)黑洞為例，伴星通常位于黑洞之外幾百萬(wàn)公里的軌道上，而黑洞自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的影響效應(yīng)僅局限于距離黑洞幾百公里的范圍內(nèi)。遺憾的是，目前最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法分辨出這么小范圍內(nèi)的變化。

纏繞在黑洞邊緣的吸積盤(pán)成為茍利軍的一個(gè)突破口。理論上講，不同轉(zhuǎn)速的黑洞會(huì)對(duì)吸積盤(pán)氣體的輻射光譜、溫度等物理量造成不同影響，比如距離黑洞越近，氣體的溫度越高，因此可以通過(guò)拍攝并且分析光譜來(lái)推算黑洞的轉(zhuǎn)速。

正是用這一被稱為“連續(xù)譜擬合”的方法，茍利軍及其學(xué)生和來(lái)自澳大利亞、美國(guó)的科學(xué)家對(duì)人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)恒星級(jí)黑洞“天鵝座X-1”進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這一相當(dāng)于21倍太陽(yáng)質(zhì)量的“龐然大物”正在以至少95%的光速自轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)被刊登于2021年2月19日的頂級(jí)期刊《科學(xué)》。

截至目前，天文界精確測(cè)量的黑洞共20多個(gè)。茍利軍及其團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)測(cè)量了其中10多個(gè)黑洞的自旋速度，“有的自旋速度接近光速，有的轉(zhuǎn)得非常慢，約為光速的10%”。

“這看起來(lái)是一項(xiàng)細(xì)微的工作，但蘊(yùn)含著拓展科學(xué)邊界的可能性?！逼埨娬f(shuō)，黑洞形成于大質(zhì)量恒星的坍縮，研究黑洞不僅可以知道黑洞本身的性質(zhì)，對(duì)研究現(xiàn)有的黑洞很重要，更為重要的是可以對(duì)黑洞的形成歷史作出一個(gè)更好的限制。

盡管研究黑洞已有20多年，但第一次看到電影《星際穿越》中出現(xiàn)的黑洞畫(huà)面時(shí)，大熒幕前的茍利軍仍深感震撼。距離該電影上映已近8年，如今聊起影片中的黑洞高清圖景，還可感受到茍利軍眼中的光，他說(shuō)自己仍有些心潮澎湃。

了解到該電影的科學(xué)顧問(wèn)、物理學(xué)家基普·索恩還寫(xiě)了一本同名科普書(shū)籍《星際穿越》，介紹電影背后的科學(xué)故事，茍利軍在看完電影的第二天，便毫不猶豫地給基普·索恩寫(xiě)了封郵件，熱切希望翻譯這本書(shū)，并最終得以成行。

除了自身的興趣，茍利軍翻譯該書(shū)還夾雜著更多的期待——想借此將天文學(xué)這一“冷門(mén)”學(xué)科，以及自己所研究的這一“小眾”課題介紹給更多人，“天文學(xué)屬于基礎(chǔ)學(xué)科，若沒(méi)有基礎(chǔ)學(xué)科的支撐，社會(huì)很難有根本性或顛覆性的創(chuàng)新”。

就這樣，茍利軍意外地開(kāi)啟了他的科普之路。

他翻譯了多本天文科普著作，在其中一本書(shū)的譯后記中寫(xiě)道，希望讀者“能夠?qū)τ钪嫔衩靥祗w多一分了解，少一分神秘，從而擴(kuò)展自己的知識(shí)疆域”。

出于對(duì)科普的喜愛(ài)，2019年他還兼任了《中國(guó)國(guó)家天文》雜志的執(zhí)行主編。說(shuō)來(lái)，茍利軍印象中第一次看到“黑洞”一詞，便是在一本目前已停刊的雜志《飛碟探索》上，這讓他感到新奇。好奇的他去問(wèn)父親，對(duì)天文了解不多的父親從字典中找出“黑洞”，努力給他解釋。

現(xiàn)在的他成了向別人“解釋”黑洞以及宇宙的人。

他寫(xiě)了不少傳播甚廣的科普文章，帶讀者“透視”科學(xué)家拍攝的首張黑洞照片，傾聽(tīng)星辰大海的聲音“引力波”。去做科普講座，他認(rèn)真回答小朋友提出的“地球會(huì)不會(huì)被黑洞吸進(jìn)去”或類似問(wèn)題。他告訴記者，根據(jù)英國(guó)《自然》的調(diào)查顯示，約90%的孩子會(huì)對(duì)兩類事物感興趣，一類是恐龍，另一類是星空，“對(duì)星空的好奇對(duì)小孩子來(lái)說(shuō)是非常自然的，要保護(hù)好這種好奇心”。

當(dāng)然，向他拋來(lái)的各式問(wèn)題不局限于黑洞，茍利軍還曾和網(wǎng)友在直播間里討論“火星上能否種土豆”，有時(shí)遇到自己不懂的問(wèn)題，他回來(lái)還會(huì)去“補(bǔ)課”。

“平易近人”“為人謙和”“樂(lè)于助人”“耐心隨和”，是學(xué)生評(píng)價(jià)茍利軍時(shí)使用的高頻詞。賈楠第一次見(jiàn)到茍利軍是在7年前的夏天，那天很熱，國(guó)家天文臺(tái)某報(bào)告廳的空調(diào)吐著噗噗的冷氣。接近中午，已在那紅色座椅上聽(tīng)了一上午講座的賈楠有些犯困，茍利軍及其關(guān)于黑洞的報(bào)告卻讓他一下子清醒了。

具體講了什么，賈楠已記不清楚，不過(guò)茍利軍講座時(shí)抑揚(yáng)頓挫的語(yǔ)調(diào)讓他印象深刻，“這在他的科普?qǐng)?bào)告中也有體現(xiàn)，他總能用生動(dòng)有趣的方式把晦澀難懂的物理知識(shí)講解出來(lái)”。

再后來(lái)，賈楠成了茍利軍的博士生，跟著他做黑洞相關(guān)的研究，一起給黑洞“畫(huà)像”。

茍利軍打過(guò)一個(gè)比方，如果說(shuō)科研是創(chuàng)作一幅“工筆畫(huà)”，科普更像是繪就一幅“寫(xiě)意畫(huà)”?！翱蒲幸笥镁珳?zhǔn)的數(shù)據(jù)語(yǔ)言來(lái)描述黑洞，科普更像是用‘粗線條’來(lái)勾勒宇宙的面貌?！彼a(bǔ)充道，相同的是，二者都是在“講故事”。

這無(wú)疑是一個(gè)關(guān)于宇宙的漫長(zhǎng)故事。

在尋找故事答案的路上，茍利軍說(shuō)積極的心態(tài)很重要。對(duì)他而言，重要的還有——運(yùn)動(dòng)，有學(xué)生形容他“跑步就像是吃飯”。他還是國(guó)家天文臺(tái)附近某足球場(chǎng)的“?？汀?，喜歡在綠茵場(chǎng)上肆意揮灑，他說(shuō)，科研也如這樣一個(gè)過(guò)程，需要全身心的投入和自由探索。

 （編輯：月兒）