复旦通识·热问快答｜施郁：黑洞照片释疑
【编者按】“热问快答”是“复旦通识”系列的新设栏目，系由复旦大学不同专业的同学就某一热点话题向专业领域的学者发起的即兴问答。
4月10日，全球6地同步召开新闻发布会，发布了人类首次“洗”出的位于室女星系团中超大质量星系Messirer87中心黑洞的照片。据此，复旦天文协会的三位天文爱好者带着各自的疑惑与复旦大学物理学系施郁教授进行了交流，施郁教授主要研究包括量子力学和广义相对论的理论物理学领域。来听听他对此事件是怎么看的吧。
问：现有的理论能够解释黑洞里面有什么东西吗？
施郁：黑洞里面其实除了中心，什么都没有，所有的质量都集中在最中心的奇点。黑洞的一个关键性质是事件视界，简称视界，是一个球面，球面里面的任何东西（即使是没有质量的光）都无法逃到外面。视界里面的区域就定义为黑洞。从奇点到视界之间的区域其实都是空的，被吸进去的物质很快就会到达奇点，毁灭原来的形态，变成奇点质量的一部分。这是根据物理原理作出的判断，但是科学家现在也无法实验验证。毕竟黑洞之所以称作黑洞，意思就是没有光里面出来，更何况其他物质。我们的物质世界中并没有奇点，奇点是在经典的广义相对论理论框架里必然出现的概念，在这里引力无穷大。当我们考虑量子力学时，奇点可能会被消除。然而把量子力学跟广义相对论结合起来的理论还没发展好，引力量子化的问题还没有得到很好的解决。但是霍金用量子力学预言了黑洞有非常微弱的热辐射。
问：这次的发现除了验证现有理论以外，我们是否还有其他收获？
施郁：收获主要还是在于研究黑洞本身以及黑洞在星系中的作用。这次观测的黑洞是处于星系中心的超大质量黑洞。根据他们发表的论文看来，目前的观测结果能很好地被现有理论解释，通过观测数据与理论模拟的比较，确定了一些数据。因为超大质量黑洞周围有很多激烈的能量过程，所以这些观测数据对我们研究活动星系核中的过程、星系的演化以及其他相关的天体物理过程也有很大的意义，因为活动星系核的很多行为就是通过超大质量黑洞解释的。
问：那么这次我们探测到了黑洞的哪些数据呢？
施郁：黑洞本身其实没有多少数据，就是几个物理量，主要是质量和代表转动快慢的角动量，理论上还有电荷，另外还有黑洞在宇宙中所处位置、与我们的距离。这次的观测改进了以前用其他方法简单估计的几个数据，包括质量以及相对于我们的距离和方位，也确定了这个黑洞是克尔黑洞，就是说，它是转动的。这次还测量了光环的种种性质，比如直径、宽度、形状、在空间中的方位，等等。这些数据都很重要。广义相对论推论，因为引力作用，光距离黑洞中心大概是视界的2.6倍时，会形成环绕黑洞的光环，这次得到了证明（各种电磁波都可以叫光）。
问：我们已经知道这次的黑洞是用射电波段而非可见光拍的，那么请问图片中红色是怎么来的呢？选择红色有什么科学道理吗？
施郁：照片的颜色基本上是人为的，是研究人员显示数据的一个方法，愿意将它标志成其他任何颜色，原则上都不是问题。但是事实上，他们选择的颜色非常好。我们可以看到，这个照片上，不仅仅有红色，实际上用到了从红色到黄色的一段连续的颜色，越黄越亮。他们用不同的颜色代表了“亮度温度”，这是用量度和波长定义的一个物理量，差不多就是发出的无线电波的实际温度。最黑的地方代表绝对零度，最亮的地方的温度大概是60亿度。如果说有什么科学道理，那就是对于我们可见的热辐射来说，比如一块烧红的铁块或者煤发出的热光，从红色到黄色明显对应着不同的温度。所以研究人员实际上是将原来的电磁波的温度分布对应到了可见光的某种温度分布，以便形象地看到。这也是为什么有人发现黑洞照片与蜂窝煤的类似。
问：科学家们是如何通过这种望远镜阵列来达到地球那么大的等效口径的？
施郁：简单来说，就是将这些望远镜拼成一个虚拟的大望远镜。因为这些望远镜相距很远，做不到将各个望远镜接收到的电磁波真实地传到一起，只是将它们记录下的信息结合起来，使它们等效于一个大望远镜的信息。天文学家首先要把不同地方的望远镜的时间同步，以便准确记录各个望远镜接收信号的实际时间。这个同步是由每个望远镜处的非常准确的氢原子钟和GPS实现的，所以不同望远镜即使相距很远，也很好地在时间上同步。不同望远镜接收信号的时间差抵消掉之后，这些信号就等价于一个大望远镜不同部位同时接收到的信号。因为地球在自转，同一个望远镜在空间中的位置也在不断变化，因此在不同时间还充当了不同的望远镜。因为这些望远镜在地球不同地方，所以它们的信号整合在一起，可以等效于当作一个近乎地球大小的望远镜。当然，在信号的整合处理中，需要用到很多计算机处理技术，比如对不同数据进行校准、分析数据之间的关联。即使算上地球自转导致的每个望远镜在不同时间所处的不同位置，它们仍然覆盖整个地球大小的面，这就需要计算机数据处理技术。当然，在实际观测时，还需要每个望远镜所在地的天气足够好。
问：为什么照片里的图像半边暗半边亮？这是因为多普勒效应的原因吗？
施郁：这是因为相对论束流效应，也有人叫多普勒束流效应。通常所说的多普勒效应是指频率随着光源速度的变化，是说，光源向着观察者运动使得频率增加。准确地说，这个关于频率的多普勒效应不是相对论束流效应的全部，不过相对论束流效应也叫多普勒束流效应。相对论束流效应中，除了光源向着观察者运动使得频率增加，还有两点，首先光源向着观察者运动使得光向运动方向聚集，而且根据相对论，运动物体有时间膨胀效应。这些因素综合起来，使得我前面说过的亮度温度依赖于光源的运动方向。如果光源向着观察者运动，亮度温度增加；如果光源离开观察者运动，亮度温度降低。 现在，这些辐射来自绕着黑洞转动的吸积盘，其中南半边朝向观测者（也就是地球）运动，而北半边远离观测者运动，所以就形成了半边暗半边亮的图像。
问：常见的一种黑洞模型是它从旁边的伴星上面吸取物质并形成吸积盘，那为什么我们在这张照片看不见伴星呢？
施郁：现在所观测的黑洞是星系中心的超大质量黑洞，质量是太阳质量的65亿倍，不是双星系统中的黑洞。黑洞的吸积盘是很常见的，不一定需要伴星。黑洞可以从周围的星际空间吸取物质，因为它有很大的引力，周围东西吸过来，往往形成吸积盘。
问：您刚才说吸积盘的物质可以从星际空间中获取，那吸积盘为什么会形成一个盘状，而不是一个壳状？
施郁：因为被黑洞吸引过去的物质往往有角动量，所以不是直接掉到黑洞里，而是要旋转，再加上这些物质之间有摩擦力，里面的物质要带动外面的物质，而且在这个过程中，这些物质的温度相对于转动来说很低，导致缺少离开吸积盘的随机运动。这样就逐步形成一个吸积盘。
问：这次事件是不是会引起引起更多的青年学者去研究黑洞相关的领域，对于大众又有何正面影响？
施郁：说明黑洞乃至整个天文学和天体物理的研究手段取得了很大进步，可能会吸引更多的研究者从事相关研究。这次事件想必也会增强大众和社会对物理学和天文学的兴趣，支持科学研究。科学也是一种文化，一种生活方式，了解科学是一种有趣的活动，能给人们带来新鲜感。
问：一个普通的物理系的本科生，以后想要成为一名物理学家，他需要做些什么？
施郁：当然需要掌握相关的知识和技能，每个专业有其基本的要求。如果要走上研究道路，最重要的是要对某个方面的兴趣比较浓厚，这样才会有动力探索下去、延续下去。如果没有兴趣，就不必为了研究而去作研究，因为世界上可以做的事情很多。兴趣也不一定局限于某个点，可以同时对很多点感兴趣，具体的兴趣也可能会随时间变化。物理学家的研究方向也不一定集中在单一的某个领域。既然有成为物理学家的这个理想，就应该去尝试一下，不要畏畏缩缩、考虑太多诸如待遇问题这些因素。但是基础研究的岗位是有限的，将来也有可能分流到其他行业。即使这样，物理的训练依然是一个好的经历，还可能带来在其他领域发展的后劲。面对各种竞争、境遇乃至挫折，也要保持良好的心态，处理好理想与现实的关系。另外，在当今时代，具体工作领域经常有改变，学校也比较强调通识教育、重视能力的培养。希望同学们珍惜本科时期的大好时光，培养兴趣，学习技能和知识，但是也不必太忽略生活中的其他方面。
