天文学家苟利军：给黑洞“画像”的人

魔女传奇

天文学家苟利军：给黑洞“画像”的人 关于太空，人类有着无尽的好奇，以及问不完的问题。7月24日，“问天·求索”暨“太空请回答——科学探索特别活动”邀请了多位重量级嘉宾——“太空教师”、英雄航天员王亚平，中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远院士，中国航天科技集团五院总体设计部副总设计师黄震，“火药雕刻师”、中国航天科技集团有限公司四院7416厂班组长徐立平，以及来自中国科学院国家天文台的武向平院士、苟利军教授，回答“花式”问题，为大家讲述太空奥秘和故事。　　——————————　　“地球会被黑洞吸进去吗？”近日，一位小朋友在“太空请回答——科学探索特别活动”中向苟利军问道。　　苟利军是中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授，还是一位75后“科普达人”。他已记不清回答过多少次这一问题，但乐此不疲。这次，他在国家天文台的办公室里认真录下了这一问题的答案。　　在他办公室的门上，贴着两张A4纸般大小的黑洞吸积示意图。图中的黑洞正用力拖拽着捕获到的时空向下旋转，划出的光带汇集成一个明亮的吸积盘。光最终消失在黑洞的边缘，一切都将不可避免地被拉向黑洞的深处，而拖着“长尾巴”的喷流有些侥幸，正在以近乎光速的速度逃窜。　　有科学家估测，在银河系中，除了位于中心的超大质量黑洞之外，约有上亿个恒星级别黑洞。目前，天文界探测到的恒星级别的黑洞数量不足100个——而这些便是苟利军的研究对象，测量黑洞的基本参数，用数据来说明黑洞的观测特征，描述黑洞的存在形式，用他的话来说，好比在给黑洞“画像”。　　“画像”的关键，在于测量黑洞的质量和自旋速度。　　黑洞是宇宙中最为神秘的天体，又是最简单的天体，与它相关的物理量只有质量、自旋和电荷。若知晓黑洞的质量、自旋速度，便可通过爱因斯坦的相对论物理定律，推断出黑洞的所有性质：大小、引力强度、视界在赤道附近因离心力向外延伸的程度等。　　美国物理学家、电影《星际穿越》科学顾问基普·索恩称，“这很神奇，与我们的日常经验相当不符。这就好像你一旦知道了我的体重和奔跑速度，就能推断出我的一切事情，包括我眼睛的颜色、鼻子的长度和智商这些一样……”　　黑洞的质量并不难测。苟利军告诉中青报·中青网记者，黑洞周围往往存在着伴星或气体以黑洞为中心进行旋转，通过望远镜探测出伴星或气体的旋转速度及其与黑洞的距离，可通过开普勒公式测出黑洞的质量——当然，这只是其中一种方法。　　测量黑洞的自转速度要难得多。以恒星级黑洞为例，伴星通常位于黑洞之外几百万公里的轨道上，而黑洞自转所产生的影响效应仅局限于距离黑洞几百公里的范围内。遗憾的是，目前最先进的望远镜也无法分辨出这么小范围内的变化。　　缠绕在黑洞边缘的吸积盘成为苟利军的一个突破口。理论上讲，不同转速的黑洞会对吸积盘气体的辐射光谱、温度等物理量造成不同影响，比如距离黑洞越近，气体的温度越高，因此可以通过拍摄并且分析光谱来推算黑洞的转速。　　正是用这一被称为“连续谱拟合”的方法，苟利军及其学生和来自澳大利亚、美国的科学家对人类发现的第一个恒星级黑洞“天鹅座X-1”进行了测量，发现这一相当于21倍太阳质量的“庞然大物”正在以至少95%的光速自转。这一发现被刊登于2021年2月19日的顶级期刊《科学》。　　截至目前，天文界精确测量的黑洞共20多个。苟利军及其团队主导测量了其中10多个黑洞的自旋速度，“有的自旋速度接近光速，有的转得非常慢，约为光速的10%”。　　“这看起来是一项细微的工作，但蕴含着拓展科学边界的可能性。”苟利军说，黑洞形成于大质量恒星的坍缩，研究黑洞不仅可以知道黑洞本身的性质，对研究现有的黑洞很重要，更为重要的是可以对黑洞的形成历史作出一个更好的限制。　　尽管研究黑洞已有20多年，但第一次看到电影《星际穿越》中出现的黑洞画面时，大荧幕前的苟利军仍深感震撼。距离该电影上映已近8年，如今聊起影片中的黑洞高清图景，还可感受到苟利军眼中的光，他说自己仍有些心潮澎湃。　　了解到该电影的科学顾问、物理学家基普·索恩还写了一本同名科普书籍《星际穿越》，介绍电影背后的科学故事，苟利军在看完电影的第二天，便毫不犹豫地给基普·索恩写了封邮件，热切希望翻译这本书，并最终得以成行。　　除了自身的兴趣，苟利军翻译该书还夹杂着更多的期待——想借此将天文学这一“冷门”学科，以及自己所研究的这一“小众”课题介绍给更多人，“天文学属于基础学科，若没有基础学科的支撑，社会很难有根本性或颠覆性的创新”。　　就这样，苟利军意外地开启了他的科普之路。　　他翻译了多本天文科普著作，在其中一本书的译后记中写道，希望读者“能够对宇宙神秘天体多一分了解，少一分神秘，从而扩展自己的知识疆域”。　　出于对科普的喜爱，2019年他还兼任了《中国国家天文》杂志的执行主编。说来，苟利军印象中第一次看到“黑洞”一词，便是在一本目前已停刊的杂志《飞碟探索》上，这让他感到新奇。好奇的他去问父亲，对天文了解不多的父亲从字典中找出“黑洞”，努力给他解释。　　现在的他成了向别人“解释”黑洞以及宇宙的人。　　他写了不少传播甚广的科普文章，带读者“透视”科学家拍摄的首张黑洞照片，倾听星辰大海的声音“引力波”。去做科普讲座，他认真回答小朋友提出的“地球会不会被黑洞吸进去”或类似问题。他告诉记者，根据英国《自然》的调查显示，约90%的孩子会对两类事物感兴趣，一类是恐龙，另一类是星空，“对星空的好奇对小孩子来说是非常自然的，要保护好这种好奇心”。　　当然，向他抛来的各式问题不局限于黑洞，苟利军还曾和网友在直播间里讨论“火星上能否种土豆”，有时遇到自己不懂的问题，他回来还会去“补课”。　　“平易近人”“为人谦和”“乐于助人”“耐心随和”，是学生评价苟利军时使用的高频词。贾楠第一次见到苟利军是在7年前的夏天，那天很热，国家天文台某报告厅的空调吐着噗噗的冷气。接近中午，已在那红色座椅上听了一上午讲座的贾楠有些犯困，苟利军及其关于黑洞的报告却让他一下子清醒了。　　具体讲了什么，贾楠已记不清楚，不过苟利军讲座时抑扬顿挫的语调让他印象深刻，“这在他的科普报告中也有体现，他总能用生动有趣的方式把晦涩难懂的物理知识讲解出来”。　　再后来，贾楠成了苟利军的博士生，跟着他做黑洞相关的研究，一起给黑洞“画像”。　　苟利军打过一个比方，如果说科研是创作一幅“工笔画”，科普更像是绘就一幅“写意画”。“科研要求用精准的数据语言来描述黑洞，科普更像是用‘粗线条’来勾勒宇宙的面貌。”他补充道，相同的是，二者都是在“讲故事”。　　这无疑是一个关于宇宙的漫长故事。　　在寻找故事答案的路上，苟利军说积极的心态很重要。对他而言，重要的还有——运动，有学生形容他“跑步就像是吃饭”。他还是国家天文台附近某足球场的“常客”，喜欢在绿茵场上肆意挥洒，他说，科研也如这样一个过程，需要全身心的投入和自由探索。　　中青报·中青网记者孙庆玲