具體內(nèi)容如下:出品：新浪科技《科學(xué)大家》、未來論壇撰文：王建民中國科學(xué)院高能物理研究所研究員天文學(xué)家數(shù)“星星”

　　當(dāng)你和好朋友仰望星空時，最先映入眼簾的是銀河系。數(shù)一數(shù)天上的星星，是一個非常浪漫的經(jīng)歷，但在科學(xué)上，數(shù)星星是一件比較嚴(yán)肅的事情。

　　數(shù)星星的工作讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了天體在宇宙里的分布和運(yùn)動規(guī)律，這也是最早的天文學(xué)研究方法。那天上的星星是什么？它的物理本質(zhì)是什么？起源是什么？內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么？又如何演化？最終命運(yùn)又是什么？這些疑問激起了物理學(xué)家的極大興趣。

　　開普勒三定律的建立，完善了牛頓力學(xué)。牛頓力學(xué)體系的建立，讓人類能夠描述局部的宇宙是什么，太陽系八大行星的運(yùn)動規(guī)律是什么。只是這樣的規(guī)律能不能適合于整個宇宙，這是現(xiàn)代宇宙學(xué)需要解決的問題。

　　上個世紀(jì)20年代，最大的天文發(fā)現(xiàn)是哈勃定律的發(fā)現(xiàn)。今年剛好是哈勃定律發(fā)現(xiàn)90周年。這個發(fā)現(xiàn)，讓人類知道天外有“天”，不僅有“天”，而且“天”還是運(yùn)動的“天”。

　　1929年之后，眾多天文學(xué)家和理論物理學(xué)家對膨脹的宇宙進(jìn)行探討。這也使人類對宇宙的了解取得了前所未有的成就，但也帶來了空前挑戰(zhàn)：暗物質(zhì)與暗能量的問題。

　　1915年，愛因斯坦提出了他最著名的廣義相對論。這個理論告訴大家，時空和物質(zhì)是密切相互作用的。描述的是物質(zhì)，描述的是時空。物質(zhì)決定時空、時空決定物質(zhì)分布，這是觀念上的一次革命。而對廣義相對論最嚴(yán)峻的檢驗(yàn)，就體現(xiàn)在對宇宙動力學(xué)的理解。

　　眾所周知，對牛頓引力定律的檢驗(yàn)，是通過太陽系的幾大行星運(yùn)動來完成的。對于廣義相對論的檢驗(yàn)，可能需要通過對宇宙動力學(xué)和它膨脹歷史的測量來完成。這將是一個規(guī)模宏大的、持續(xù)最久的實(shí)驗(yàn)與觀測。

　　愛因斯坦在1916年，也就是發(fā)表廣義相對論一年之后，提出了量?，F(xiàn)在，我們知道在廣義相對論的方程里，必須要加一個暗能量項(xiàng)，這樣才能夠體現(xiàn)出宇宙可能是加速膨脹的。量的研究，現(xiàn)在已經(jīng)成為物理學(xué)和天文學(xué)最令人困惑的難題。

　　愛因斯坦引力場方程的奇點(diǎn)

　　正是對愛因斯坦引力場方程求解，人類才知道，銀河系中心有一個430萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。1916年，K。 Schwarschild在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)壕中，求解愛因斯坦引力場方程得到了第一個解。這個解出現(xiàn)了一個奇點(diǎn)：在R等于RS的時候變成無窮大，這就意味著光也逃不出來，進(jìn)而意味著黑洞的存在。但在當(dāng)時，這個理論的預(yù)言沉寂了很多年，直到上世紀(jì)60年代高能天體物理的興起，才使天文學(xué)家開始審視這個奇點(diǎn)的觀測意義。

　　如何去檢驗(yàn)黑洞的存在？德國天文學(xué)家R。 Genzel通過世界上最大的望遠(yuǎn)鏡：VLT望遠(yuǎn)鏡，由四個8米望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，進(jìn)行了長達(dá)數(shù)十年的觀測，獲得了觀測檢驗(yàn)黑洞存在的最強(qiáng)證據(jù)。

　　這4臺望遠(yuǎn)鏡干涉模式的空間分辨率可以達(dá)到幾個毫角秒，相當(dāng)于從北京，能看到華盛頓比毫米級還小的物體。只有這個分辨率，我們才能夠分辨黑洞周圍的恒星，進(jìn)而測量黑洞周圍的恒星運(yùn)動和動力學(xué)，才能夠把黑洞質(zhì)量精確的測量出來。

　　通過觀測，我們發(fā)現(xiàn)黑洞旁的恒星在進(jìn)行非常有規(guī)律的運(yùn)動。2018年，科學(xué)家通過VLT觀測，發(fā)現(xiàn)恒星運(yùn)動軌道已偏離了開普勒軌道，與廣義相對論預(yù)言一致，這也是對廣義相對論最直接和最可靠的檢驗(yàn)。

　　講到黑洞，不得不提1963年類星體的發(fā)現(xiàn)。上圖是美國天文學(xué)家M。 Schmidt，當(dāng)時他在加州理工學(xué)院工作，正是他成功拍攝到射電強(qiáng)源3C273的光學(xué)光譜，成為人類發(fā)現(xiàn)的第一顆類星體。

　　當(dāng)時，這些寬達(dá)每秒數(shù)千公里的譜線十分令人困惑。但是如果考慮一個系統(tǒng)紅移，這些譜線就可以完全理解為氫原子的譜線。

　　令人吃驚的是這個紅移相當(dāng)大：z=0.158。要解釋這樣大的紅移，3C273的輻射能量將非常巨大，需要遠(yuǎn)比核能高效的能源機(jī)制。

　　這個發(fā)現(xiàn)也立刻成為物理界和天文界的熱點(diǎn)問題。到現(xiàn)在為止，有兩點(diǎn)能夠確定：第一，這個紅移肯定是宇宙學(xué)紅移，而不是局部區(qū)域的引力場產(chǎn)生的紅移；第二，能夠解釋這么大輻射能量只有超大質(zhì)量黑洞的吸積過程，典型的黑洞質(zhì)量大約是太陽的5億倍。這也是天文學(xué)家花了大約30年時間建立起的理論模型，其中的過程充滿了激宕思辨和爭論，堪稱天文學(xué)史中極為精彩的一章。

　　如何理解超大質(zhì)量黑洞

　　超大質(zhì)量黑洞即質(zhì)量超過太陽質(zhì)量100萬倍的黑洞，如何徹底理解超大質(zhì)量黑洞，下一步工作就是建立可靠的方法測量它們的質(zhì)量，獲得質(zhì)量分布、研究它們?nèi)绾涡纬珊脱莼?/p>

　　那么，第一代超大質(zhì)量黑洞在哪里？黑洞質(zhì)量有上限嗎？它們對寄主星系是否有影響？作為宇宙學(xué)天體，我們能否從中獲得宇宙動力學(xué)演化和宇宙的膨脹歷史？

　　人們?yōu)榇颂接懥碎L達(dá)50多年，直到2018年，科學(xué)家在VLT上實(shí)現(xiàn)了干涉直接測量，空間分解了輻射線寬高達(dá)每秒幾千公里的輻射區(qū)域，使得黑洞質(zhì)量能足夠精確測量，為黑洞研究和測量宇宙動力學(xué)的歷史帶來了前所未有的機(jī)遇。自此，黑洞作為宇宙燭光，為人類“照亮”了宇宙。

　　到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)對類星體標(biāo)準(zhǔn)光譜有了較為透徹的理解。類星體的輻射功率大概是從1010到1013的太陽光度，質(zhì)量范圍大約是106-1010的太陽質(zhì)量。這么大的數(shù)字已經(jīng)很難利用除了數(shù)學(xué)之外的語言來表述，從這一方面也可以側(cè)面解釋天文數(shù)字的由來。

　　由于類星體對天文學(xué)巨大的推動，它的發(fā)現(xiàn)者M(jìn)。 Schmidt和理論解釋者D。 Lynden-Bell在2008年獲得了Kavli獎（編者注：該獎作為諾獎補(bǔ)充，主要授予在天體物理、納米科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)這3個領(lǐng)域做出基礎(chǔ)突破性貢獻(xiàn)的科學(xué)家。），但這也是在發(fā)現(xiàn)類星體的45年之后了。

　　黑洞燭光：“照亮”宇宙膨脹歷史

　　到現(xiàn)在為止，科學(xué)家從美國斯隆數(shù)字巡天（SDSS）中大約發(fā)現(xiàn)近50萬個處于活動狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞。其實(shí)每個星系的中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞，它們處于休眠狀態(tài)，在電磁波波段看不到。有這么多超大質(zhì)量的黑洞，它們?nèi)绾握樟亮藙×已莼械挠钪?，又如何為翻開宇宙的歷史打開一扇窗戶？

　　根據(jù)哈勃定律，倒推宇宙歷史，我們可以得到宇宙來自于一次大爆炸。宇宙大爆炸最直接的證據(jù)來自于宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)。目前，微波背景的測量已經(jīng)從地面挪到了太空，進(jìn)入了精確宇宙學(xué)時代。

　　宇宙學(xué)中最重要內(nèi)容之一就是如何測量去丈量宇宙的幾何、如何去測量天體距離。100年以前，哈佛大學(xué)的Leavitt女士發(fā)現(xiàn)了造父變星的光變周期和它的光度有一個強(qiáng)相關(guān)：造父變星光度越大，光變周期就越長。這個關(guān)系的本質(zhì)是由恒星結(jié)構(gòu)本身決定的。依此可以測量銀河系以外的宇宙距離， 90年前哈勃就是采用這個傳統(tǒng)方法獲得“宇宙在膨脹”。

　　經(jīng)過一百年的測量，美國天文學(xué)家W。 Freedman領(lǐng)導(dǎo)的哈勃望遠(yuǎn)鏡重點(diǎn)項(xiàng)目，測量出哈勃常數(shù)是，相對誤差為10%，這個測量的結(jié)果在2009年獲得了國際天文學(xué)會宇宙學(xué)最高級的獎項(xiàng)。2019年天文學(xué)家又提出了基于一類特殊的位于星系最邊緣恒星的測量，這類恒星的測量受紅化和消光影響最小，它測量出的哈勃常數(shù)是在左右。

　　但是故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束，一方面造父變星測量只是臨近宇宙的哈勃常數(shù)；另一方面，由高精度宇宙微波背景測量的哈勃常數(shù)顯著比傳統(tǒng)測量方法小，而且顯著性接近5，這就是最近A。 Riess提出的所謂“哈勃常數(shù)危機(jī)”（H0-tention）。這是一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：要么標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型需要修改，要么傳統(tǒng)測量方法有難于克服的系統(tǒng)誤差，或者兩者都需要修改。

　　Ia型超新星

　　Ia型超新星是一類可以通過標(biāo)準(zhǔn)化方法實(shí)現(xiàn)宇宙距離測量的工具，比造父變星亮數(shù)個量級。這一工具的理論基礎(chǔ)來源于印度裔的美國物理學(xué)家S。 Chandrasekhar，他基于電子簡并壓提出白矮星質(zhì)量有一個極限，如果超越這個極限，白矮星將會塌縮，并爆發(fā)形成超新星，因此可粗略作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。由于這一類超新星的光譜中沒有氫元素和氦元素的發(fā)射線，被稱作Ia型超新星。

　　M。 Phillips在1993年發(fā)現(xiàn)了將Ia型超新星標(biāo)準(zhǔn)化的定律：如果超新星持續(xù)爆發(fā)時間比較長，那么超新星就比較亮，這個關(guān)系使得利用超新星精確測量宇宙學(xué)距離變成了可能，否則，科學(xué)家就不會發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹現(xiàn)象。

　　美國的三個天體物理學(xué)家，S。 Perlmutter， B。 Schmidt和A。 Riess通過艱苦卓絕的觀測，在1998-1999年發(fā)表了宇宙加速膨脹現(xiàn)象。這是一個令物理學(xué)家無比困惑的觀測現(xiàn)象，因?yàn)橐沟门蛎浀乃俣葴p小，但是宇宙為什么還會加速膨脹？于是暗能量作為宇宙加速膨脹機(jī)制立刻成為天文和物理學(xué)交叉的最前沿課題。但到現(xiàn)在我們也不知道它們的本質(zhì)是什么。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的現(xiàn)象，這三位天文學(xué)家在2011年獲得了諾貝爾獎。

　　利用超新星的測量宇宙距離時發(fā)現(xiàn)，紅移大于1.5以后，Ia型超新星的數(shù)量就急劇減少，這是恒星演化規(guī)律所決定的。宇宙距離的階梯在紅移1.5左右可能就斷了，丈量更高紅移的宇宙是天體物理學(xué)家所面臨的一個嚴(yán)峻問題。其中一個流行測量方法是通過重子聲波震蕩（BAO）的固有長度和張角來測量距離（還有特別是恒星級雙黑洞的引力波作為標(biāo)準(zhǔn)鈴聲）。

　　但是這樣一個測量的結(jié)果，需要基于宇宙學(xué)膨脹歷史動力學(xué)的一個假設(shè)，只是相對測量，不是直接測量。我們可以對比一下低紅移和高紅移的現(xiàn)有BAO測量。高紅移的測量遠(yuǎn)不能給予現(xiàn)有模型任何有效的限制。在低紅移里，又出現(xiàn)了前文提到的“哈勃常數(shù)危機(jī)”。

　　在這個精確宇宙學(xué)時代，更多的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)卻使我們面臨了更大挑戰(zhàn)，呼喚我們?nèi)?shí)現(xiàn)最基本和最純粹的幾何的測量。上個世紀(jì)的兩朵烏云中，對黑體輻射的高精度測量催生了“光量子”的誕生；現(xiàn)在對宇宙學(xué)距離的測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到黑體輻射精度，這是對宇宙加速膨脹本質(zhì)理解的最大障礙，因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)與觀測數(shù)據(jù)精度難于產(chǎn)生革命性理論。因此，這個時代呼喚著用純粹幾何學(xué)的方法測量宇宙的結(jié)構(gòu)和膨脹的歷史。

　　最近，歐洲VLT望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了重大的突破：在近紅外干涉技術(shù)下，VLT第一次實(shí)現(xiàn)了對I型類星體的干涉測量，空間分解寬發(fā)射線區(qū)域獲得了其角分布。測量的等效空間分辨率達(dá)到了10個微角秒。

　　那么如何實(shí)現(xiàn)測量呢？近紅外干涉的測量原理與射電波段完全一樣，但對于在近紅外和光學(xué)方面的測量卻非常困難，因?yàn)橄辔徊钍艿酱髿庥绊?，難于保持和測量。如果我們用VLT干涉測量類星體的核心，再采用光譜定位技術(shù)測量寬發(fā)射線不同位置光子中心之間有一個光行差。對光行差的測量可以獲得類星體寬線區(qū)相對于觀測者的張角。

　　另一方面，我們通過測量類星體寬發(fā)射線光變相對于連續(xù)譜的時間延遲，乘上光速后，就得到了類星體寬線區(qū)的物理尺度。這一技術(shù)被稱為反響映射，目前已經(jīng)非常成熟。兩者相除即可得到黑洞的角距離。

　　VLT第一次實(shí)現(xiàn)近紅外的干涉測量成功測量遙遠(yuǎn)宇宙學(xué)尺度上某個輻射區(qū)的角徑，而麗江兩米四望遠(yuǎn)鏡可以完成反響映射測量，獲得這個區(qū)域的物理尺度。兩者相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)距離和黑洞質(zhì)量的同時直接測量，我們得到哈勃常數(shù)為相對誤差為15%，這是一個很有希望的新方法，達(dá)到了珠聯(lián)璧合的效果。

　　我們第一次在紅移z=0.158的尺度上實(shí)現(xiàn)了距離的直接測量，盡管相對誤差為15%，但未來隨著VLT和2米望遠(yuǎn)鏡合作的開展，精度有望達(dá)到3%，甚至更高。

　　這個測量有三個優(yōu)點(diǎn)，第一，不依賴于消光和紅化改正；第二，不依賴于距離階梯的層層定標(biāo)。這兩點(diǎn)正是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)工具測量方法無法克服的困難。我們首次測得的哈勃常數(shù)正好是在微波背景輻射和超新星測量結(jié)果的中間。這就意味著標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型中暗能量性質(zhì)將得到觀測限制。

　　到現(xiàn)在為止，這種聯(lián)合分析僅實(shí)現(xiàn)了對1個類星體距離的測量。近期，GRAVITY團(tuán)隊(duì)告訴我，他們已經(jīng)測量了第2個目標(biāo)。今后我們就有可能實(shí)現(xiàn)更多類星體的距離測量，這將會對暗能量的性質(zhì)給出精確限制，使得我們對宇宙學(xué)加速膨脹的歷史有一個新的認(rèn)識。

　　另外一類黑洞的新結(jié)果就是我們在麗江兩米望遠(yuǎn)鏡上開展的對超愛黑洞的觀測研究。超愛黑洞是對超愛丁頓吸積黑洞的簡稱，這一類黑洞或?qū)o出高紅移宇宙的膨脹歷史。

　　怎么做？我們知道黑洞的吸積有一個最大的吸積率，這個時候被吸積的物質(zhì)受到的黑洞引力與輻射壓達(dá)到了平衡。

　　這些黑洞的輻射有何特點(diǎn)？從這張圖上我們可以看到這些鋸齒狀的特征，它們不同于正常的類星體，是鐵一價離子的輻射，是超愛黑洞特有的。通過這些特征可以把類星體里面的超愛黑洞找出來研究黑洞吸積的飽和光度和黑洞的快速增長，即它是如何形成超大質(zhì)量黑洞以及黑洞燭光測量距離。

　　我們已經(jīng)在麗江的望遠(yuǎn)鏡上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了飽和光度，使以飽和光度作為基礎(chǔ)的距離測量有了觀測基礎(chǔ)。精度比超新星要差一點(diǎn)，但是類星體的壽命要比Ia型超新星長得多，紅移高得多、數(shù)目多得多。中科院理論物理所的蔡榮根院士領(lǐng)導(dǎo)的小組，完成了對利用超愛黑洞測量宇宙學(xué)的模擬，檢驗(yàn)了它的宇宙學(xué)測量能力。我們可能測量到宇宙在紅移1到4之間的膨脹的歷史。

　　黑洞可“照亮”宇宙的物質(zhì)組成

　　利用這些黑洞，我們還可以把宇宙里的物質(zhì)組成“照亮”。有理論估計表明，如果哈勃常數(shù)測量達(dá)到1%的精度，我們還可以了解宇宙的物質(zhì)組分。我們將可以知道，在4%的重子物質(zhì)里面有多少是中微子和它們的質(zhì)量是多少？

　　其實(shí)在宇宙里面還存在著超大質(zhì)量的雙黑洞。當(dāng)兩個黑洞共舞的時候，我們將能“看到”波長在幾光年到幾十光年尺度上引力波的壯觀漣漪。我們知道大質(zhì)量黑洞存在于星系中心，由于星系會發(fā)生并合，這樣就意味著在星系的中心可能存在超大質(zhì)量雙黑洞。

　　距離在1kpc的雙黑洞在巡天結(jié)果中十分常見，但遺憾的是，我們到現(xiàn)在為止尚未觀測到距離小于1pc （約3.26光年） 的超大質(zhì)量雙黑洞，嚴(yán)重阻礙了利用脈沖星計時陣列來探測納赫茲引力波的研究。

　　因此，我們希望能夠通過探測大質(zhì)量的雙黑洞和測量軌道參數(shù)，來幫助探測和檢驗(yàn)納赫茲引力波。它們在哪里，它們的性質(zhì)是什么？

　　百赫茲的引力波和納赫茲引力波觀測檢驗(yàn)上存在巨大差別。我們知道在一秒鐘內(nèi)恒星級雙黑洞完成并合，產(chǎn)生了百赫茲引力波，我們不僅可以測量到波形，還可以測量到波形的變化。波形的變化對我們理解引力波和測距是至關(guān)重要的。然而對納赫茲引力波而言，我們不可能看到波形的變化。因?yàn)樗闹芷谑窃诎倌炅考?，它的并合時間是在千年。

　　如何檢驗(yàn)納赫茲引力波與雙黑洞的物理關(guān)系？幸運(yùn)地是，我們同樣可以利用干涉觀測和兩米口徑望遠(yuǎn)鏡的反響映射觀測聯(lián)合分析，對干涉相位曲線和反響映射的二維轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的測量，來實(shí)現(xiàn)對雙黑洞軌道參數(shù)的測量并檢驗(yàn)引力波。這使得我們能夠有機(jī)會理解納赫茲引力波的性質(zhì)。這是一個嶄新的研究領(lǐng)域，亟待從理論和觀測上有所突破。

　　目前國際上對于理解暗能量有哪些觀測計劃？第一個是從2013年開始的DES（The Dark Energy Survey）計劃，由一個四米口徑的望遠(yuǎn)鏡位于智利。DESI大型觀測計劃始于2018年，主要是星系光譜巡天測量BAO。還有美國下一代的WFIRST空間望遠(yuǎn)鏡、歐洲空間局的Euclid，這些望遠(yuǎn)鏡基本上是通過超新星和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)來理解暗能量，或者還通過弱引力透鏡來理解暗能量，試圖來理解宇宙的膨脹歷史。

　　在低頻引力波觀測方面，國際以百米以上的大型射電望遠(yuǎn)鏡為主，觀測毫秒脈沖星陣列脈沖到達(dá)的時間延遲。幸運(yùn)的是中國的“天眼”FAST將探測到更高質(zhì)量的毫秒脈沖星，實(shí)現(xiàn)對脈沖星時延探測，有望未來能夠探測到納赫茲引力波，為揭示黑洞的演化做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。更令人高興的是，中國已經(jīng)加入到SKA并成為其中的一個重要的成員。對未來低頻引力波的測量，中國也有可能做出突破性的貢獻(xiàn)。

　　上圖是從1936年到今年為止的這樣一個天體物理有關(guān)的諾貝爾獎獲得者排行榜。很遺憾尚未沒有中國人。從2011年2016年到2019年，三次諾獎都頒給了天體物理，特別是跟宇宙學(xué)和黑洞密切相關(guān)。我相信，黑洞能“照亮”宇宙，解鎖更多宇宙奧秘。中國加油！

　　注：本文根據(jù)王建民研究員在2019未來科學(xué)大獎頒獎典禮上的演講整理而來，有刪減

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