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(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)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(yuǎn)鏡項(xiàng)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(gè)巨大的宇宙“甜甜圈”。

這張寫真，來(lái)自2.7萬(wàn)光年之外的銀河系中心。中國(guó)大陸有16位研究人員參與了這項(xiàng)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(jiān)持了28年。5月的這張照片，其實(shí)是EHT團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(gè)近似圓形的黑暗區(qū)域，該區(qū)域被一個(gè)發(fā)光的亮環(huán)保衛(wèi)，酷似一個(gè)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(bào)·中青網(wǎng)記者，實(shí)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(jià)值。

“我們拍到的照片，準(zhǔn)確來(lái)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(gè)強(qiáng)大的中心引力吸引，而這個(gè)引力就來(lái)自黑洞?！痹逭f，“甜甜圈”外圈那個(gè)閃閃發(fā)光的金色圓環(huán)，實(shí)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(jìn)而發(fā)出強(qiáng)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(yáng)等人的研究發(fā)現(xiàn)，宇宙中存在兩種吸積流，一種是“正?！蔽e流，另一種是“瘋狂”吸積流，前者磁場(chǎng)較弱，后者磁場(chǎng)很強(qiáng)。除了磁場(chǎng)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(gè)重要價(jià)值在于其在強(qiáng)引力場(chǎng)環(huán)境下“檢驗(yàn)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論”。廣義相對(duì)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(chǎng)等效成時(shí)空的彎曲。

【資料圖】

他介紹，100年前也有科學(xué)家對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行過檢驗(yàn)，但當(dāng)時(shí)都是在弱引力場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行的檢驗(yàn)，而在弱場(chǎng)下，廣義相對(duì)論與牛頓力學(xué)兩種理論的差別不大。只有在強(qiáng)引力場(chǎng)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(gè)用來(lái)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的、合適的強(qiáng)引力場(chǎng)。

“廣義相對(duì)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)?！痹逭f，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(duì)論，工程人員在這一理論基礎(chǔ)上，把“導(dǎo)航”變成了現(xiàn)實(shí)，“舉個(gè)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(duì)論?！?/p>

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(duì)論計(jì)算出來(lái)的“黑洞模型照片”是相符合的，說明廣義相對(duì)論通過了這次檢驗(yàn)。

袁峰不是EHT項(xiàng)目中的“拍照人”，而是該項(xiàng)目中解釋“為什么拍照”的理論研究者之一。

“吸積流被吸進(jìn)去的過程中，產(chǎn)生了很多有趣的現(xiàn)象?！彼榻B，黑洞本身不會(huì)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(jì)算預(yù)測(cè)，真正的黑洞比這幅‘甜甜圈’圖片中的黑色部分要小一些?！?/p>

袁峰所說的“計(jì)算”，是求解一個(gè)復(fù)雜的黑洞吸積流方程組。這個(gè)方程的復(fù)雜程度，遠(yuǎn)超出一般人的想象。這個(gè)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(gè)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(yáng)發(fā)現(xiàn)了該方程的一個(gè)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(guó)科學(xué)院院士。

“我當(dāng)時(shí)寫了一篇還算不錯(cuò)的論文，在一次韓國(guó)舉辦的國(guó)際會(huì)議上作了報(bào)告。”袁峰告訴記者，“導(dǎo)師后來(lái)告訴我，那次聽到我的報(bào)告，就想好要給我留一個(gè)博士后位子了?！?/p>

2002年到哈佛大學(xué)報(bào)到后，負(fù)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(qǐng)了教授的博士后位置，我想知道他把這個(gè)位置留給了一個(gè)什么樣的人?！?/p>

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(shí)存在很強(qiáng)的外流，從而推翻了他在1999年提出的著名的吸積流“對(duì)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(guó)馬普射電天文研究所、美國(guó)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(guó)?！熬褪窍矚g中國(guó)的文化和環(huán)境，國(guó)外的環(huán)境再好也不是為中國(guó)人設(shè)計(jì)的，在那里沒有歸屬感和認(rèn)同感?！痹逭f。

這種歸屬感和認(rèn)同感，就包括向中國(guó)大眾科普天文知識(shí)、天體物理知識(shí)。

“全國(guó)只有十幾所大學(xué)有天文系，而美國(guó)排名前100的大學(xué)，幾乎家家都有天文系。這個(gè)看似無(wú)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(guó)快速發(fā)展至今，是時(shí)候要加強(qiáng)各個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)研究了，“基礎(chǔ)研究對(duì)國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)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(lái)選擇學(xué)習(xí)、工作方向時(shí)，都能遵循自己原本的興趣，保持對(duì)大自然的好奇?！?/p>

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(shí)間里，他發(fā)現(xiàn)自己對(duì)廣義相對(duì)論的興趣與日俱增，“我覺得廣義相對(duì)論很優(yōu)美，很喜歡，所以我報(bào)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。”