【中国科学报】“甜甜圈”的狂欢年
天文学家捕获的首张黑洞照片 事件视界望远镜合作组织供图
编者按
2019年，我们见证了不平凡的一年，部分中国学者在某些领域已做出了引领性的工作；有的科技话题已深入人心，被公众广泛讨论……科学与技术的各个领域可谓异彩纷呈。为了让读者对此有清晰的了解，本报特别邀请各领域专家梳理并点评2019年科技发展的亮点，并展望令人期待的2020年。
黑洞照片、黑洞之王、黑洞系统高能量准周期振荡……2019年，物理领域迎来了一场黑洞研究的狂欢，这是偶然，也是必然，它让人们有了围观宇宙奥秘的机会，也让曾经的诸多猜想有了被验证的可能。未来，它仍是物理领域的黄金热点。
2019年4月，物理领域以一张照片轰动世界。
在这张酷似“甜甜圈”的照片上，人类首次看到了黑洞的样貌。5500万光年外，遥远的m87星系中央，质量约为太阳65亿倍的这个黑洞，引发世界狂欢。
黑洞照片的热度尚未褪去，11月，中国天文学家依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（lamost），发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞。与此同时，“慧眼”卫星科研团队发现黑洞系统中迄今最高能量的准周期振荡现象，开启了研究黑洞系统的新窗口……
从年头到年尾，看似“甜甜圈”的黑洞不仅不“黑”，反倒成了2019年物理领域最热门的“亮”点。
看，这就是黑洞！
2017年4月，从赤道到两极，6个不同地点，8座射电望远镜联合观测，再加上为期2年的数据分析，一张模糊却珍贵的黑洞照片终于在2019年4月10日21点整被公之于世。
照片上，明亮的环状结构是吸积盘中黑洞周围的气体和尘埃，由于这些气体和尘埃有数十亿摄氏度，因此发出了明亮的无线电波；中间的黑色部分，便是黑洞的影子了。有人说黑洞像个“甜甜圈”，也有人调侃黑洞就是烧着的蜂窝煤洞。
不过，在科学家心中，这张照片验证了爱因斯坦引力理论对黑洞的预测，即由于光线无法挣脱黑洞的引力，在黑洞周围，存在一个由光线构成、环绕中心黑色区域旋转的亮环。
11月，人类首张黑洞照片的幕后团队——事件视界望远镜（eht）项目组，获得2020年科学突破奖——基础物理学奖。eht项目负责人谢普·多尔曼在接受媒体采访时表示，未来这个项目组有两项工作，“一是能拍张更好的黑洞照片，二是未来10年里能拍到黑洞视频”。
恒星级黑洞之王
黑洞照片公布后半年，北京时间11月28日凌晨，《自然》杂志发表了中国科学院国家天文台的另一项重大发现——发现迄今为止质量最大的恒星级黑洞。
一般来说，恒星级黑洞是由大质量恒星死亡后形成的，过去几十年，人类只发现了大概20个恒星级黑洞，质量均在3至20倍太阳质量之间。
2016年初，在浩瀚星海中，科学家盯上了一个表现异常的双星系统，在这个双星系统中，“走路拉风”的b型星表现出规律的周期性运动和不同寻常的光谱特征。这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞？科学家怀疑。此后，通过lamost的观测数据，研讨人员计算出该双星系统中果然存在一个约70倍太阳质量的黑洞。
恒星级黑洞，70倍太阳质量，这一数值远远超出理论预言的质量上限。美国激光干涉引力波天文台（ligo）台长大卫·雷茨评论称，这将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。
论文第一作者、中科院国家天文台副台长、研究员刘继峰表示，科研团队将开展“黑洞猎手”计划，预计在5年内发现并测量近百个黑洞，并最终描画出一幅黑洞群像。
“慧眼”开启新窗口
10月26日，“慧眼”卫星发布科研成果。科学家利用“慧眼”卫星对x射线双星系列的观测，发现了黑洞和中子星附近的物质发出的高能x射线存在准周期变化。
准周期振荡是黑洞x射线双星系统的主要光变特征，这一观测结果强烈支持了准周期振荡信号的非热辐射起源，说明黑洞临近区域以非热高能物理过程为主。
“‘慧眼’卫星发现了黑洞系统中迄今最高能量的准周期振荡现象，开启了研究黑洞系统的新窗口。”“慧眼”卫星系统有效载荷总设计师、中科院高能物理研究所研究员卢方军在新闻发布会上说。
“慧眼”卫星首席科学家、中科院高能物理研究所研究员张双南告诉《中国科学报》，目前，“慧眼”卫星研究团队将利用其在高能x射线领域的观测优势，继续这个方向的研究，目前，已经产出了比此前更好的成果，并将于2020年年初对外发布。
此外，张双南表示，“慧眼”卫星的后继者——“增强型x射线时变与偏振空间天文台”（简称extp）正处于方案设计阶段，目前已落实的经费可以支撑项目走完方案设计阶段和随后初样研制的第一阶段，预计将于2027年发射。
是偶然也是必然
1915年，36岁的爱因斯坦向普鲁士科学院提交了完整的广义相对论方程。几个月后，物理学家卡尔什瓦希得到了爱因斯坦方程解，成为现代意义上对于黑洞的第一次描述。
过去的100年里，“黑洞”寄托着人类对宇宙的无限遐想。以《星际穿越》为代表的众多科幻作品直观地展示着这种质量巨大、引力极强、连光都无法逃逸的天体。
1963年，新西兰数学家科尔得到另外一个精确解，这一次黑洞是转动的。1964年，美国科学家发射探空火箭，第一次发现了黑洞的踪迹。
“理论和观测的双重突破，一下子吸引了大批天文学家、物理学家投入这个领域，所以在接下来的二三十年，关于黑洞的研究进入了黄金时期。”中科院国家天文台研究员苟利军说。
“今年有这么多有关黑洞的成果出现，可能是一种偶然，但黑洞研究一直是物理领域的热点。”中国科学院理论物理所研究员、中国科学院院士蔡荣根告诉《中国科学报》。
在苟利军看来，今年的这些黑洞研究成果，都是观测技术和计算能力积累到一定程度后的必然结果。
张双南介绍，国际上，黑洞研究动用了几乎所有天文观测手段，呈现多波段、多信使的特征，多种波段观测手段包括射电观测、光学观测、x射线观测、伽马射线观测等，多种信使观测手段包括观测电磁波、引力波、中微子等。
黄金时代仍将继续
“一黑两暗三起源”是当前宇宙物理学的热点研究课题，其中“一黑”指的就是黑洞。
受访专家预计，在可预期的未来，黑洞仍将是天体物理和理论物理领域关注和研究的热点。
张双南介绍，目前国内部署了一批有关黑洞研究的技术设备，如“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”（gecam）卫星、中法合作的太空望远镜项目“天基多波段空间变源监视器”（svom）卫星、“爱因斯坦探针”（ep）卫星，以及高海拔宇宙线观测站（lhaaso）、“平方公里阵列望远镜”（ska）等。国际上也部署了一批有竞争力的研究项目，如欧空局的“雅典娜”x射线天文望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜（jwst）等。
“未来，我们将看到关于黑洞更丰富的细节，更深入地了解黑洞的基本特征，黑洞内部的物质相互作用，黑洞周围的气体运动，以及喷流的产生和集束机制，并完善我们对于星系演化的认知与理解。”苟利军说。
对于理论物理学家来说，黑洞就像他们的理论实验室一样。“黑洞是引力非常强的天体，可以用来检验广义相对论的正确性，黑洞外面是否满足广义相对论的预言；甚至检验量子引力效应。”蔡荣根说。
斯蒂文·霍金在上世纪70年代发现黑洞不是黑的，而是会向外发出热辐射。这一辐射现象被称为霍金辐射，是一种量子引力效应。此后，黑洞物理便成为理论物理学家关注的重要领域之一。
“量子力学和广义相对论，是目前人类描述微观世界和宏观世界的两套理论，而黑洞物理是量子力学和广义相对论的交汇处，也是通向量子引力理论的窗口。”蔡荣根说，“建立一个自洽的量子引力理论，理解引力的本质是很多理论物理学家毕生的追求。”
“目前，黑洞物理研究刚刚被打开，数据精度还不够高。”蔡荣根预计，未来，将有越来越多的黑洞被观测到，观测数据精度也会越来越高，可以研究的相关科学问题也会越来越多。
