校友风采

楼宇庆:宇宙浩瀚,探索无止

 
 

 

       在过去的几十年间,人们对不同天体系统中的各类黑洞有大量的理论探讨、数值模拟和观测研究,与这次拍摄到的超大质量黑洞(Supermassive Black Hole --SMBH;质量范围为百万到几十亿太阳质量)密切相关的,还有一个我们叫做绝超质量黑洞(Hypermassive Black Hole – HMBH;质量范围为百亿到万亿太阳质量或更大)的家伙。很显然,这个黑洞巨无霸的质量范围比超大质量黑洞的质量范围整体要更高,研究这两类黑洞的天体物理形成机制极具挑战性;当然,足够快地形成质量越大的绝超质量黑洞就越难

       然而早在2013年,有这样一位交大校友,他在国际上首次明确提出了绝超质量黑洞可以在宇宙间包括早期宇宙中的角动量小甚至几乎为零的巨大物质库内在引力作用下直接动力塌缩形成其主体,这个具有前瞻性的理论预言为早期宇宙内类星体中探测到的若干百亿太阳质量以上的巨大黑洞所证实。就观测而言,在整个宇宙的其它地方也同样有绝超质量黑洞的身影。这种物质库内动力塌缩形成黑洞主体的机制也同样适用于超大质量黑洞以及质量再小一些的黑洞。

       他就是楼宇庆。北方交通大学(现北京交通大学)应用数学物理系77级校友,清华大学物理系、清华天体物理中心、清华-国家天文台联合天体物理研究中心和清华天文系教授、教育部长江特聘教授。

孜孜不倦求学路

       楼宇庆,祖籍浙江嵊县(今嵊州),出生在北京的一个知识分子家庭,父亲是北京大学无线电系教师,母亲是清华大学物理系教师。在文化大革命那个年代,学习环境极端不利。坚持学习、独立思考对当时年幼的楼宇庆来说,需要具备极大的心理抗压能力。小学的时候,他曾随母亲到江西鲤鱼洲农场劳动。“但是,即便在各方面条件很差的时候,父母亲还是顶着环境压力尽可能支持我们学习。1971年在江西鄱阳湖畔鲤鱼洲农场劳动时,父亲曾对黑龙江兵团来探亲临别的大哥说,‘人比动物强的不是力气,而是思维和学习。有学上时,学习不是为了考试;没学上时,学习不是为了上学’”。

       北大附中毕业后,楼宇庆去农村插队劳动,全然不知道前景是什么。那时各种农活都学着干,不仅种、收麦子,扛包、扬场、卸砖、盖房、除草、放马、跟车、赶大车、起猪圈等都干过。他非常开心地与当地乡亲们一起插秧(这是在江西农场练就的)、卷烟叶,劳动之余,坚持跟着北京市外语广播学习英语、法语和日语。在那个年代,插队劳动还学习外语是相当离经叛道的行为。

       1977年冬天,文革时期中断十年的高考重新恢复,在北京市昌平县马池口公社楼自庄下乡插队的楼宇庆到昌平县城参加考试,当时监考数学的老师从背后看他的答卷时还特意询问了他是哪个中学的。村民们和同村的插队知青们都以为他肯定能考上,结果却未被录取。隔了一段时间后却又意外地接到后续通知,他作为走读生进入北方交通大学的应用数学物理系物理师资班就读。

     “当时的北方交大没有很好的科研条件,就是上课读书学习,我们的专业目标是为日后铁路系统院校和中学培养物理老师”。楼宇庆与同学们一起认真听课、读书、做实验,也曾代表北方交通大学参加了北京市高校英语竞赛,在北京大学图书馆南侧的哲学楼获颁一本《新英汉词典》作为优胜奖品。他把这本获奖词典送给了父母亲。他也曾到北京大学物理大楼为美国仪器公司代理做口头“翻译”,协助北京大学物理系实验室人员安装新进口的激光器。

      1980年,诺贝尔物理奖得主、著名华裔理论物理学家李政道教授联合美国53所大学的物理系和研究生院,通过中国教育部,主持启动了中美物理联合考试申请计划(China-United States Physics Examination and Application –英语字头缩写 CUSPEA),随即开始大规模在中国各大高校选拔意欲专攻物理的学生,考试优胜者将赴美国相关大学的研究生院留学深造。楼宇庆获知此消息后,毫不犹豫地决定参加,并询问同学们是否有愿意一同参加的,结果只有一位同学表示愿意。他找到当时的学校领导请求允准,校领导当即同意他们参加CUSPEA选拔考试。

       当时学校和老师对楼宇庆主动参加CUSPEA考试的选择给予了充分的尊重和鼓励,为他复习考试排除了后顾之忧。1980年10月中旬,他在北京大学图书馆参加并通过了第一届中美物理联合考试,并被哈佛大学物理系录取,决定从事天体物理研究。在为出国留学做准备期间,他还专门为在北京培训的CUSPEA同学联系到北京大学物理大楼做系列物理实验,打好必要的基础。

       到美国后,主要遇到的障碍还是语言交流,“我记得第一次和哈佛物理系主任聊天,谈得很不错,但对话快结束时他说了一句:我觉得你的英语讲得很好,但我说的一些话,你好像没有完全听懂”。经过将近一年的时间,语言交流上的障碍才逐渐被克服。

        在哈佛做研究生期间,楼宇庆分别做过旋转球体表面层的磁流体非线性Rossby波和Alfven波的全局解、天体随机磁流体中Alfven波的衰减、粘滞引力分层的柱状等离子中磁流体驻波震荡模式的研究,还用特征线方法发展了二维非稳态磁流体力学数值计算码,并分别发表了这几项理论分析和磁流体数值模拟的研究工作。

       从哈佛大学获得物理博士学位后,他去Colorado州美国国家大气研究中心的高等研究项目和高山天文台做博士后,主要从事与太阳物理和磁流体力学等方面相关的理论研究工作,包括日冕和恒星冕的无力磁场结构和太阳黑子中强磁化等离子体对太阳声波模吸收的物理模型等。

成果斐然

       基于几十年的研究工作经验,楼宇庆在前沿太阳物理、空间物理和天体物理的广泛研究领域内取得了若干具有重要意义的学术成果。

       2013年,他在国际上首次明确提出了质量比超大质量黑洞更高的绝超质量黑洞可以在宇宙间包括早期宇宙中的角动量小甚至几乎为零的巨大物质库内在引力作用下直接动力塌缩形成其主体,这个具有前瞻性的理论预言为早期宇宙内类星体中探测到的若干百亿太阳质量以上的巨大黑洞所证实。就观测而言,在整个宇宙的其它地方也同样有绝超质量黑洞的身影。这种物质库内动力塌缩形成黑洞主体的机制也同样适用于超大质量黑洞以及质量再小一些的黑洞。

       他期待美国现计划于2021年发射升空的6.5米口径的空间光学望远镜James Webb Space Telescope (JWST)以其强大的红外探测能力在早期宇宙中发现大量的高红移类星体、极亮红外星系和超亮红外星系等,进而通过光谱分析和经验关系认证出这些天体系统中的超大质量黑洞和绝超质量黑洞。这两类黑洞栖身的宿主系统应当库存着相应的巨大暗物质晕和密度高于同期平均值的中性氢(即原子氢)。地面射电阵列如荷兰联合欧盟国家的低频率阵列(Low Frequency Array-- LOFAR)、美国的长波段阵列(Long Wavelength Array –LWA)和未来多国(包括中国在内)已经正式签约共建的《平方公里阵列》(Square Kilometer Array –SKA)等或有可能探测到这些巨大物质库中的大量中性氢所辐射的有相应红移的21厘米特征谱线,作为这一物理图像的必要自洽佐证。独立于此,人们也可以利用其中Damped Lyman-alpha(DLA)系统特点结合毫米波阵列ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)的观测来估计相关系统中的原子氢含量。这将揭示相关高红移时空内,物质分布事实上已经分块成团了。沿着这一思路,部分质量相对小的黑洞也都有可能在相应的宿主物质库内直接动力塌缩形成。

       与此同时,他提出了形成和搜索暗物质黑洞的可能性,比如在一类暗物质绝对主导的极度弥散星系中心等。

       2005年12月23日和25日,楼宇庆在清华大学带领学生用80厘米TNT(Tsinghua-NAOC Telescope)望远镜在国际上率先发现两颗超新星2005mc和2005mf;他将此幽默地称为”圣诞攻势“。作为突破性的重要标志,这是中国大陆高校首次。2007年1月9日他们再度用TNT率先发现了超新星2007G。

       楼宇庆研究发展了引力作用下的流体和磁流体汇聚激波的动力演化模型及其在超新星爆发过程中的应用。2005到2006年间,他在大规模国际合作中主力推动、修改、通讯并最后执笔定稿了发表在国际顶级杂志《科学》上的西藏羊八井海拔4300米的中国日本合作阵列的高能宇宙射线研究成果,被中国科学院高能物理研究所领导称之为“做梦都不敢想的事”。

       近来,楼宇庆还参加西藏羊八井中日合作研究,结合地表面的宇宙射线阵列和埋入地下的水切伦科夫探测器的数据分析,探测来自蟹状星云(Crab Nebula)的宇宙最高能伽马射线,用源自其中央的高速旋转强磁场脉冲星的分条磁化的相对论脉冲星风中的前向和反向激波及极度受迫磁重联机制来解释蟹状星云中高能相对论正负电子的持续来源。这里磁化相对论脉冲星风的扰动模型图像是对他所发展的太阳风所驱控的日球层中的磁流体扰动的自然推广。

       楼宇庆指出磁化的巨大物质库内,动力径向塌缩形成绝超质量黑洞和超大质量黑洞的过程将由对流和涡流不稳定性而引发大规模三维磁流体高速湍流从而可以产生超高能和极高能宇宙射线粒子、宽频域电磁波暴以及向宇宙空间发射引力波。他结合自己若干新颖的动力塌缩形成原恒星的模型,多次用青海和新疆的射电望远镜观测星云分子谱线,来分析拟定模型相关参数。通过模型分析,他进一步提出在相对孤立的微型气体球团中由引力塌缩形成褐矮星和气体行星的物理可行性。他还建议和描述在不同空间尺度上由长物质束条的引力不稳定性而形成成串或成链天体的机制和图像,后确实有成链星系的发现证实了这一理论预言。

       基于Ulysses卫星和其它多个空间卫星的木星观测和数据分析,楼宇庆提出了木星内同步辐射带几十分钟准周期磁流体惯性震荡的物理模型,有若干理论预言被观测证实。

       2006年以来,他与合作者用乌鲁木齐南山25米射电望远镜直接监测木星内辐射带6厘米波段的流量变化并综合实时太阳风数据分析,首次揭示了确有几十分钟准周期活动的迹象且与高速太阳风抵达木星相关联。通过对比研究,他继而提出土星各种相关联的准六十分钟活动周期现象也同样类似地是由土星的辐射带磁流体全球惯性震荡导致的。

       正值中国准备启动深空探测规划论证立项时期,楼宇庆应邀参加了一系列国际国内空间科学会议,也访问了多个国际国内相关空间科学研究机构;近几年,他多次应邀参加了中国深空探测规划论证会议。为配合中国的深空探测计划,实现相关科学目标,他建议启动实施以下两个有意义的项目:

      (一)向中国南海逐渐延伸中国甚长基线干涉(VLBI)网阵;

      (二)结合贵州黔南500米口径“天眼”射电望远镜(FAST),及时研制大功率雷达,用以探测行星际空间飞行物体,配合深空探测。

       就中国深空探测木星系的科学目标,楼宇庆建议研制两项科学仪器载荷系统:

       (1) 相关仪器载荷用以综合探测木星内辐射带和极区准周期40分钟活动现象,全面研究清楚相关物理图像和机制,验证物理预言,发现新的现象;

       (2) 相关仪器载荷用以探测木星各种可能的全球震荡模式(类似于太阳的全球震荡),结合理论模型反演,进而探测了解木星内部结构和动力演化。这将是国际上首次。

        楼宇庆还构建了磁化大质量恒星核坍缩形成致密磁星(磁场强度在十亿到千亿特斯拉范围)的物理机制图像。值得一提的是,为低日冕构造的非线性无力磁场解也同样可以应用到磁星以及其它星体上。进一步数值计算分析揭示了一个极为重要的问题:非线性无力磁场解不唯一。他也通过物理模型的构建分析,为搜寻高速旋转致密天体(如中子星)表面的磁化等离子体海洋中的各类磁流体潮汐波信号提供理论依据。他更为推广性地论证星系团风或外流及激波存在的物理可行性。他曾建议用磁Sunyaev-Zel’dovich (SZ)效应来推测星系团中的磁场存在及其量级。

       结合不同类型的漩涡星系的磁场观测,楼宇庆与合作者发展提出了星系磁流体密度波理论,包括磁流体快密度波和慢密度波,系列的首篇发表在国际顶级杂志《自然》上。为棒旋星系NGC 1097中央的星爆环,他们用小波分析认证出紧致涡旋磁流体快密度波型,进而设想磁流体密度波的衰减程度与中心活动星系核的剧烈程度之间的关系。

       由于太阳的旋转和表面层的磁场(这样的物理条件一般大致适用于恒星),楼宇庆研究了磁流体惯性力对各种可能的大尺度波传播性质的影响。特别地,他首先提出将这类磁流体惯性波(如,Alfven-Rossby波等)与太阳的耀斑活动和日冕物质抛射的相对长周期的变化行为联系起来,揭示这类波的存在。近来有其它观测证据也同样支持太阳表面层中有Alfven-Rossby波的存在。

       以太阳为例,楼宇庆研究内部重力波模(即 g-模)以调频的方式导致太阳声波p-模式的频率精细分裂;这或可是一种非常独特方式来探测深陷太阳内部的g-模。他首先从理论上提出日冕磁重力波模,发表在《科学》杂志上,也研究了p-模与g-模震荡模式的自然转换。同样的概念完全可用于恒星冕。

不遗余力育人才

       2002年,楼宇庆离开美国芝加哥大学天文与天体物理系,通过国家人事部(后重组为国家人力资源和社会保障部),回到清华大学物理系任教授。在清华物理系和清华天体物理中心(后来又形成了清华-国家天文台联合天体物理研究中心和清华天文系),他不仅给研究生和高年级本科生讲授等离子体、流体和磁流体天体物理课程,同时还给本科生分别用英语和中文讲授普通物理课程,主持翻译了《空间与天文手册》,并大量培训优秀学生(包括国际学生和优秀高中生)从事天体物理前沿研究,在国际主流审稿杂志上发表文章,多名毕业生获得清华物理系叶企孙奖、吴有训奖和任之恭奖。其中大部分学生赴美欧国际知名学府继续深造,更有佼佼者获得了国际竞争激烈荣誉极高的顶级博士后奖项,包括Hubble,Einstein, Clay Stromlo,Leopoldina奖金等等。

       他总结自己几十年来天体物理研究和教书育人的心得:前沿研究注重新东西,可能是发现新现象,可能是构建新的物理模型,可能是提出一个新理论来解释一个不太好理解的物理现象,可能是获得新的模型解,可能是通过理论预言提出一些新的可实际观测的物理现象等等,简而言之要敢为天下先;教学的内容则是相对成熟的物理知识,通过演示实验和形象描述来形成直觉,注重让学生们了解相关物理现象、解释现象背后的原理,更进一步就是通过理论计算来实现这些物理原理的应用,建立起来一个正确清晰的物理图像。有些物理现象是同学们从来就没见过的,则可用实验装置在教室给大家演示,如果是肉眼难以观测的现象,则需要安排同学们进实验室通过特殊实验装置来观察测量。

       正常教学之外,结合前沿研究工作,他不时地会带领和安排学生们到校外的天文台(如新疆、青海、云南、英国和美国等地)用望远镜进行天体观测……简言之,教书传授相对成熟的知识在一定层次上可以走“流水线”,而前沿研究实践则更宜于“私塾”风格。对没有科学研究实践经历的学生而言,泛泛地空讲或指导如何撰写科研文章是毫无实际意义的。

       除此之外,若时间允许,他身体力行,积极参与多种讲座交流和科普教育活动。在中国科学院研究生院和大学多年开办的《李政道讲座》上,楼宇庆是应邀讲授次数最多的教授。他也曾应邀在中国人民大学八百人大教室为公众以题为《绝超质量黑洞 – 宇宙黑暗与光明的惊人奇迹》做天体物理科普报告。

       这次的EHT超大质量黑洞轮廓图像发布时,楼宇庆应北京科技报特邀,作为嘉宾和天体物理专家,通过科学加、微博和今日头条现场直播,为广大公众解说Event Horizon Telescope - EHT 多国同步新闻发布会所公开的巨型椭圆星系M87中央超大质量黑洞的毫米波轮廓图像及甚长基线干涉技术的基本功能和特点。

       他还在清华和其它地方高校和中学做科普讲座报告,向高校和中学师生介绍天文和天体物理学知识以及研究的最新进展。“总归我们是一代一代传承下去,让更多的人了解你在做什么学术研究工作,逐渐营造出一种自然的知识文化和学术文明气氛”。这些活动,除了同行间学术上的交流意义,还在于此。“有时候可能只是引起公众的兴趣,有时候可能会改变一个小孩子的一生,他(她)就愿意专注去做好一件事,咱们说不好哪句话、哪件事、哪句劝告、哪张图片产生了‘蝴蝶效应’”。

       楼宇庆说,“在交大三年多的时光是紧张、快乐的”,每天骑车往返,风雨雪无阻。因为文革,班上同学年龄相差十多岁,自己年龄最小。午休时,因走读生没地方去,大家都在教室里打盹休息。有时,几个同学把后排的两张小桌拼起来就开打乒乓球,饶有兴致。他还能清晰地记得自己作为二传手亲身参加交大全校排球决赛的场景,也记得参加过交大各系之间的游泳比赛。

     “文革十年的中断,老师们最好的时光都过去了,但他们都是非常认真地教书育人的,兢兢业业的,尽力把基础知识传授给我们”,楼宇庆很深情地说。他真诚祝愿交大理学院、母校办得更好。

        楼宇庆也曾向母校领导建议,一定要大幅度增强对理科专业基础教育的支持,营造教学、实验和前沿研究的氛围,重视数理化人才的培养。尽管目前的工科领域依然有相当大的研发和应用的空间,但纵观科技发展史,技术方面重大的创新和突破通常源自理科的思维方式和基础研究的态度。综合了解各个物理前沿研究的新进展且理论思考和动手实践并重就一定会触发技术革命并引领或开拓新的应用领域。在这方面坚持长期下功夫,交大是完全可以大有作为的,并且走在前列。

学长寄语

     “动脑筋,经常思考,努力学习,不断实践,捕捉战机,实事求是地面对和解决问题,很多事情都是有可能做成的。”

     “本次拍摄到的超大质量黑洞(Supermassive Black Hole --SMBH)的质量约为65亿太阳质量(1个太阳质量约为20亿亿亿亿克),位于室女星系团里的巨型椭圆星系M87(Messier 87,亦称Virgo A或NGC4486)的中央,推断它也应与源自该椭圆星系中心的大尺度磁化喷流(magnetized jet)现象有物理相关性;M87距地球约5000万光年。

        中心圆形黑暗区域正是本次“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope -- EHT)通过成功应用地球尺度的甚长基线干涉技术(Very Long Baseline Interferometry -- VLBI)向全世界首次展示的1.3毫米波长所观测到的M87的超大质量黑洞的大致外围轮廓线。这更进一步地坐实了人们多年来的各方理论分析和经验推测,即超大质量黑洞的确存在于星系中央,从而又一次强有力地支持了爱因斯坦的广义相对论。

        在过去的几十年间,天文学家对不同天体系统中的各类黑洞有大量的理论探讨和观测研究。此次M87超大质量黑洞的观测实例毫无疑问地极大增强了天文学家的普遍信念 — 即宇宙间的不同天体物理系统中确实存在着各类黑洞。随着时间的推移和观测设备的升级,这样的黑洞实例会越来越多。“

        Q:所谓“拍摄黑洞”本质是什么意思?我们是怎么“看”到黑洞的?

        A:球对称的静止黑洞有一个所谓的“事件视界”(Event Horizon),也称Schwarzschild半径。物质和光子都无法从其内逃逸出来,故称之为“黑洞”。爱因斯坦1915年发表广义相对论不到一年,Karl Schwarzschild就推导出球对称静止黑洞解,人称Schwarzschild解。长期以来,天文学家一直通过黑洞与周边的物质和辐射场的引力作用(例如常常提到的吸积盘)来推测黑洞的存在及估计其物理参数。轴对称的旋转黑洞(即Kerr黑洞解)有其相应的“事件视界”,多涉及一个角动量参数,相应的基本物理理解同上。旋转黑洞附近的时空会被严重弯曲拖曳,快速旋转的吸积盘物质的电磁辐射在此极度弯曲的时空中传播成像。人们可以基于此类模型的参数调整,进行数值计算,对比拟合观测到的吸积盘物质的电磁辐射图像来获取黑洞“事件视界”的大致轮廓像。我们是在这个意义上“拍摄黑洞”或者称“看”到黑洞的。

       Q:为什么“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope - EHT)会选择银河系中心和室女星系团里的巨型椭圆星系M87中心这两个“事件视界”半径最大的黑洞作为首要目标?其中M87距我们有5000多万光年之遥,其成像难度是不是比距我们2.6万光年的处于银河系中心的黑洞要大很多?

       A:“事件视界望远镜”(EHT)在毫米波段运用的甚长基线干涉阵列技术(Very Long Baseline Interferometry--VLBI)有非常高的角分辨率,又因为有多个毫米波望远镜和阵列的共同参与,EHT的灵敏度空前地高。EHT的角分辨率可以用1毫米(观测波长)来除以1万公里(约地球直径)来大致估计,即百亿分之一。

       银河系中心的黑洞和巨椭圆星系M87中心的黑洞都属于所谓的超大质量黑洞(Supermassive Black Hole--SMBH),前者约400万太阳质量,后者约65亿太阳质量。Schwarzschild半径的表达式是Rsch=2GM/c^2,这里G是万有引力常数,M是黑洞质量,c是真空中的光速;故一个太阳质量对应的Schwarzschild半径约是3公里。请特别留意,Schwarzschild半径与黑洞的质量M成简单的线性比例。所以,EHT选择较近的超大质量黑洞作为首要目标是自然合理的,因为张角大的相对容易分辨。再请注意,5000多万光年(M87的大约距离)与2.6万光年(银心的大约距离)的比值约2000。65亿太阳质量的超大质量黑洞(M87的)与4百万太阳质量的超大质量黑洞(我们银心的)的质量比值约1600。故对我们而言,这两个超大质量黑洞看起来大小差不多,M87超大质量黑洞的张角会相对略小一些。这就是为什么EHT同时选择这两个距离我们相对近的超大质量黑洞目标进行毫米波VLBI观测。而事实上,这次首次公布的仅仅是M87黑洞的轮廓图,因为银心的黑洞轮廓图和模型数值模拟尚未完全处理分析完毕,也许要等到来年了。

       Q:除了我们银心的和M87的两个超大质量黑洞正在被EHT监测,EHT还有其它观测目标吗?

       A:目前EHT没有其他监测目标。但作为更好的且富有启发性的答复,也作为一个非常有实际研究意义的思考练习,我建议关注离我们远一些但又不是太远的椭圆星系NGC 1600。它位于一群星系的中心。基于系统观测和模型分析,NGC1600的中央被推测有我们从理论上所预言的绝超质量黑洞,质量约为170亿太阳质量,距地球约64 Mpc(这里Mpc是兆秒差距约对应3亿亿亿厘米)。相比之下,Event Horizon Telescope (EHT )所观测的巨型椭圆星系M87的超大质量黑洞为65亿太阳质量,距离地球17 Mpc(即5000多万光年)。故椭圆星系NGC 1600中央的绝超质量黑洞对地球的张角是M87的超大质量黑洞对地球张角的0.7倍,同样可以被EHT的1.3毫米波段观测足够清晰地分辨出来。大家都一定还鲜明地记得2019年4月10日首次公布的M87的EHT在1.3毫米波段所拍摄的M87超大质量黑洞的大致轮廓图像。若用EHT的0.8毫米波段来拍摄NGC 1600中央的绝超质量黑洞,则其暗影轮廓图像的周边可以分辨得更为清晰,这是因为在这个波段EHT的角分辨率又相对提高了。这里能否成功观测的关键是NGC 1600的绝超质量黑洞的邻近周边物质是否有足够强的毫米波辐射可以令EHT探测到,因为距离愈远就必须要求源的毫米波辐射强度愈高。所以在很大强度上,现有的EHT能否为NGC 1600的绝超质量黑洞轮廓成像就要看运气了。当然如果能有更多的毫米波望远镜和阵列不断加入EHT,则EHT的探测灵敏度就会不断提高,也就有可能探测到黑洞附近更为微弱的毫米波源。

      Q:天体物理一般怎么处理观测数据和模型之间的关系?该如何评估观测数据分析的可信度?

      A:在这次联合新闻发布会上公开的EHT的M87黑洞观测中,人们的模型中设想有一个磁化旋转的吸积盘,它驱动着喷流,电磁辐射来自吸积盘,盘里面的中心有个超大质量黑洞,黑洞还是旋转的(即Kerr黑洞),这样会极度拖拽扭曲黑洞周边时空,这个磁化的吸积盘可以相对论速度围绕黑洞转,盘辐射出来的电磁波现在能被EHT探测到的只是1.3毫米波段的(以后0.8毫米波段的也能探测到),最终能看到盘毫米波辐射在扭曲的时空里传播成像勾勒出黑洞的大致轮廓。这个磁流体吸积盘系统的模型里有若干参数,比如黑洞质量、黑洞旋转角速度,吸积盘离黑洞的距离、盘旋转轴的取向、黑洞旋转轴的取向、磁场的几何及强度、吸积盘的质量和厚薄、吸积盘沿其径向往外延伸多远、吸积盘是否平整(即有无某种程度的扭曲),甚至吸积盘里等效粘滞系数等一系列的参数都不是很确定。但无论如何,我们可以根据已有的观测信息先构建这样一个理想模型,其中有些参数相对更可靠一些,有些则差一点,然后就根据一组所选择的参数模拟成像。这个模型的参数需要反复调整,最后据此模型成一个1.3毫米波的像,使之跟EHT获取的数据图像看起来相近。那么会不会有其它不同参数组也能成几乎同样的像呢?原则上讲有可能,同一个像有可能对应着几种不同的参数组。一般而言,参数组不一样,模型具体细节也就不一样,这意味着数据分析的结果与模型模拟结果并不一定唯一。但可以根据其它一些物理因素进行分析思考,最终推测是否只有某一组参数相对最为合理。如果结果就是不唯一,理论家之间就会对模型有所争执,但仍旧会根据已知的信息判断哪一组参数可能更为合理一点,日后有条件和有机会时再进行独立验证和检测。

       事实上就M87而言,过去多年的观测曾推测其中心超大质量黑洞可能是65亿太阳质量也有可能是30多亿太阳质量。这就是一个参数不确定的例子。而这次实在是运气好,EHT的毫米波观测和模型分析确定为65亿太阳质量。否则,中心黑暗区域要小许多,图像分辨起来不如现在清晰。

       有些天体物理研究的理论模型和分析结果听起来是非常合理的。例如,人们看不见太阳的内部,也无法深入太阳的内部进行实测,但太阳表面持续释放着巨大能量。著名理论核物理学家Hans Bethe为太阳内部构想了热核聚变反应链,模型计算、理论预言和观测结果吻合得很好,但这都首先涉及理论模型的构建问题和相关物理参数组的合理选取。这是一个辉煌的例子,Hans Bethe因1938-1939年在太阳核物理领域偶尔游走了一下便获得了1967年物理诺贝尔奖。他的理论工作开启了恒星核物理的先河,也同样启迪了人类追求受控热核聚变获取能量的伟大梦想。

      甚长基线干涉技术是成熟的,其相关技术环节、数据分析和误差估计是有相对完整套路的,尽管EHT的毫米波段要比长波段的VLBI要难,更具有挑战性。就M87的超大质量黑洞分析而言,凭感觉初步猜测较大的不确定性来自磁流体盘及喷流模型的构建和相关参数组的选择。