袁峰在科普講座上向公眾解說宇宙“甜甜圈”。受訪者供圖
中國科學(xué)院上海天文臺研究員袁峰算是和“甜甜圈”結(jié)下一生的緣分了——5月16日，由他參與的事件視界望遠鏡項目（EHT）拍攝到了首張銀河系中心超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*”的第一張寫真照片——一個巨大的宇宙“甜甜圈”。
這張寫真，來自2.7萬光年之外的銀河系中心。中國大陸有16位研究人員參與了這項工作，袁峰是其中之一。
從1994年攻讀天體物理學(xué)博士至今，袁峰已經(jīng)在與“甜甜圈”們打交道的路上堅持了28年。5月的這張照片，其實是EHT團隊第二次拍到的黑洞寫真。第一次發(fā)布黑洞照片是在2019年4月。那時，EHT組織宣布得到了第一張黑洞M87的照片。該照片的中心是一個近似圓形的黑暗區(qū)域，該區(qū)域被一個發(fā)光的亮環(huán)保衛(wèi)，酷似一個金色的“甜甜圈”。
很多人不明白，既然科學(xué)家早在2019年就已經(jīng)拍到了黑洞寫真，為何還要在2022年再拍一次呢？科學(xué)家想要證明什么問題呢？
袁峰告訴中青報·中青網(wǎng)記者，實際上，一張張“甜甜圈”黑洞寫真，看似雷同，但它們都有其在不同假設(shè)環(huán)境中的重要價值。
“我們拍到的照片，準(zhǔn)確來說，不是黑洞本身，而是黑洞周圍的吸積流。這些吸積流被一個強大的中心引力吸引，而這個引力就來自黑洞。”袁峰說，“甜甜圈”外圈那個閃閃發(fā)光的金色圓環(huán)，實際上就是吸積流，吸積流氣體在黑洞引力作用下向黑洞下落，下落過程中它們變熱、進而發(fā)出強烈的輻射，照片中看到的明亮光環(huán)，就是這些非常熱的氣體發(fā)出的輻射。
天體物理學(xué)家納拉揚等人的研究發(fā)現(xiàn)，宇宙中存在兩種吸積流，一種是“正常”吸積流，另一種是“瘋狂”吸積流，前者磁場較弱，后者磁場很強。除了磁場外，兩種吸積流其他方面也存在很大不同，而且還決定了黑洞噴流的形成。
袁峰告訴記者，黑洞寫真拍攝的一個重要價值在于其在強引力場環(huán)境下“檢驗了愛因斯坦的廣義相對論”。廣義相對論是描述物質(zhì)間引力相互作用的理論，由阿爾伯特·愛因斯坦于1915年完成，1916年正式發(fā)表。這一理論首次把引力場等效成時空的彎曲。
他介紹，100年前也有科學(xué)家對廣義相對論進行過檢驗，但當(dāng)時都是在弱引力場環(huán)境下進行的檢驗，而在弱場下，廣義相對論與牛頓力學(xué)兩種理論的差別不大。只有在強引力場的環(huán)境下，兩者才能出現(xiàn)較為明顯的差別。
黑洞，正是那個用來檢驗廣義相對論的、合適的強引力場。
“廣義相對論和量子力學(xué)理論是目前物理學(xué)界最牛的理論，是現(xiàn)代物理學(xué)最重要的基礎(chǔ)。”袁峰說，以人們?nèi)粘Ｊ褂玫男l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，它也需要依靠廣義相對論，工程人員在這一理論基礎(chǔ)上，把“導(dǎo)航”變成了現(xiàn)實，“舉個例子，用牛頓力學(xué)理論做導(dǎo)航的話，誤差可能是1-2公里，而要精準(zhǔn)定位，一定要依靠廣義相對論。”
如今科學(xué)家拍攝到的黑洞照片，與基于100多年前的廣義相對論計算出來的“黑洞模型照片”是相符合的，說明廣義相對論通過了這次檢驗。
袁峰不是EHT項目中的“拍照人”，而是該項目中解釋“為什么拍照”的理論研究者之一。
“吸積流被吸進去的過程中，產(chǎn)生了很多有趣的現(xiàn)象。”他介紹，黑洞本身不會發(fā)光，要找到黑洞，最重要的就是找到其周圍的吸積流氣體，“根據(jù)我們的計算預(yù)測，真正的黑洞比這幅‘甜甜圈’圖片中的黑色部分要小一些。”
袁峰所說的“計算”，是求解一個復(fù)雜的黑洞吸積流方程組。這個方程的復(fù)雜程度，遠超出一般人的想象。這個方程組從20世紀(jì)60年代開始就被科學(xué)家關(guān)注，每解出這個方程的一小步，都值得發(fā)表一篇高水平學(xué)術(shù)論文。20世紀(jì)90年代，袁峰在哈佛大學(xué)的博士后導(dǎo)師納拉揚發(fā)現(xiàn)了該方程的一個創(chuàng)新性解，為人們理解宇宙中的黑洞邁出了重要一步，他本人因此當(dāng)選美國科學(xué)院院士。
“我當(dāng)時寫了一篇還算不錯的論文，在一次韓國舉辦的國際會議上作了報告。”袁峰告訴記者，“導(dǎo)師后來告訴我，那次聽到我的報告，就想好要給我留一個博士后位子了。”
2002年到哈佛大學(xué)報到后，負責(zé)接待的天文系秘書在見到袁峰后說：“我早就想見到你了！有幾百人申請了教授的博士后位置，我想知道他把這個位置留給了一個什么樣的人。”
出乎這位知名教授意料的是，10年后的2012年，他最青睞的博士后袁峰通過理論分析和大規(guī)模數(shù)值模擬，首次論證了吸積流中確實存在很強的外流，從而推翻了他在1999年提出的著名的吸積流“對流”理論。直到2014年，納拉楊才在與袁峰的多次探討中，接受了他的最新研究成果。
2005年，有著德國馬普射電天文研究所、美國哈佛大學(xué)和普渡大學(xué)博士后工作經(jīng)歷的袁峰，決定回國。“就是喜歡中國的文化和環(huán)境，國外的環(huán)境再好也不是為中國人設(shè)計的，在那里沒有歸屬感和認同感。”袁峰說。
這種歸屬感和認同感，就包括向中國大眾科普天文知識、天體物理知識。
“全國只有十幾所大學(xué)有天文系，而美國排名前100的大學(xué)，幾乎家家都有天文系。這個看似無用的學(xué)科，卻是最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。我想在更多學(xué)生心目中種下仰望星辰大海的種子。”袁峰說，我國快速發(fā)展至今，是時候要加強各個學(xué)科的基礎(chǔ)研究了，“基礎(chǔ)研究對國家長遠發(fā)展意義重大。”
他也希望這張漂亮的“甜甜圈”照片，能成為青少年朋友們“遵循興趣、保持好奇心”的“誘餌”，“希望我們的孩子們未來選擇學(xué)習(xí)、工作方向時，都能遵循自己原本的興趣，保持對大自然的好奇。”
之所以選擇天體物理，也是袁峰本人的興趣所在。讀碩士期間，他曾一度從理論物理專業(yè)換到量子化學(xué)專業(yè)，但3年讀研時間里，他發(fā)現(xiàn)自己對廣義相對論的興趣與日俱增，“我覺得廣義相對論很優(yōu)美，很喜歡，所以我報考了中科大的天體物理專業(yè)博士，從此一直在研究天體物理。”
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