对话国家天文台副台长刘继峰：人类还要探索哪些黑洞之谜？

• 2021-11-26 14:53:27 来源：澎湃新闻

2019年，全球首张黑洞照片发布，人类的技术能力已经从间接探知黑洞到直接“看见”它，但黑洞的故事远没有结束。今年未来科学大奖周期间，澎湃新闻（www.thepaper.cn）对话中国科学院国家天文台副台长刘继峰，聊了聊黑洞研究、天文教育等话题。

刘继峰对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，目前已经可以用多种手段探测黑洞，前期的研究证实了黑洞的存在，测量了黑洞的质量和自转，跨越基本参数阶段后人类将研究更多黑洞之谜，例如测量黑洞的分布，探索黑洞周围的时空扭曲到底是什么样的，“后面我们会有更多的手段去探索更多深入的问题。”

2019年，《自然》发表了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的发现，70倍太阳质量的恒星级黑洞，随后的研究对质量进行了下调，但依然进入了现有恒星演化理论的“禁区”。刘继峰说，已有不同的研究都引发大质量的恒星级黑洞究竟从哪来的问题。目前团队试图将大质量恒星级黑洞的形成问题进行全链条解析。“要去抓黑洞形成的瞬间。但是怎么抓住呢？黑洞的形成是很快的过程。”

要抓到超新星爆炸形成黑洞的瞬间，就要有观测设施能够进行早期观测。“一旦发现超新星爆炸就盯着它看，或者就算没有发现超新星也盯着看。我们提出了 ‘宇宙录像机’的概念。它还可以研究黑洞旁边的时空扭曲模式到底是什么样的。”刘继峰表示，“宇宙录像机”原型机已在研发中，明年夏天原型机将进行安装调试，未来“宇宙录像机”或将架设在青海冷湖。

对于当前的天文教育，他对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，目前的问题是只重视知识传授，“我们不缺复读机，不缺百度百科，我们缺的是科技创新人才。”天文教育一定要从知识传授型向核心素养培养型转变，围绕学生的成长设计课程、教材、教学方式，激发学生兴趣，让学生在探索中得到肯定。

大质量恒星级黑洞从哪来？黑洞周围的时空扭曲是什么样？

200多年前，科研人员就设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。直到上世纪60年代美国天体物理学家才命名了“黑洞”。

黑洞是巨大质量集中在一点，形成强大的引力场，连光线也无法逃逸。按照质量大小，黑洞分为恒星级黑洞（不到100倍太阳质量）、中等质量黑洞（100-10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）。其中，恒星级黑洞由大质量恒星死亡形成，宇宙中有很多。某些恒星在演化接近末期时经历超新星爆炸，爆炸后如果还有残骸剩余，要么是极端致密的中子星，要么就是黑洞。

“以前科研人员都对单个黑洞测质量，测了10来个黑洞，就发现黑洞的分布还挺奇怪，小黑洞没有，大的黑洞有10来个太阳质量。”在天文学家的预言里，宇宙有上亿个黑洞。但过去大约五十年时间里，X射线只暴露了约20颗黑洞，均在3到20倍太阳质量之间。

2019年，《自然》发表了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的研究成果。他们提供了一种利用郭守敬望远镜（LAMOST）的巡天优势寻找黑洞的新方法，发现了70倍太阳质量的恒星级黑洞。他们后续的研究修正了质量到25-35个太阳质量，但是现有理论依然难于产生。

依据现有理论分析，具有类似太阳元素丰度的恒星演化很难形成20倍以上太阳质量的黑洞。因为恒星在形成黑洞前会吹出星风丧失物质，因此恒星级黑洞不会特别重，“一般十几个太阳质量就到头了。”

这颗大质量的恒星级黑洞显然进入了现有恒星演化理论的“禁区”。而激光引力波干涉天文台（LIGO）还曾探测到质量最大的黑洞并合事件：两个分别约为85倍和65倍太阳质量的黑洞合并成一个142倍太阳质量的黑洞，中间损失的等同8倍太阳质量的能量以引力波的形式在宇宙中扩散出来。

刘继峰说，不同研究都指向大质量的恒星级黑洞的存在，也引发了它们究竟从哪来的问题，“原来很简单地认为大质量恒星死了形成大黑洞，小质量星死了形成小黑洞，再小的质量就不形成黑洞。现在已经看到了现有理论必须修改，修改的步伐有多大？事实上现在理论进入了更加混沌的时期，甚至超新星如何形成黑洞也越发不清楚了。”

刘继峰表示，目前团队试图将大质量恒星级黑洞的形成问题进行全链条解析。“要去抓黑洞形成的瞬间。但是怎么抓住呢？黑洞的形成是很快的过程，形成的过程怎么看到？超新星爆炸留下了什么信息？”

设法用望远镜组阵，“宇宙录像机”抓住超新星爆炸形成黑洞的瞬间

要抓到超新星爆炸形成黑洞的瞬间，就要有观测设施能够进行早期观测。

“一旦发现超新星爆炸就盯着它看，或者就算没有发现超新星也盯着看。我们提出了 ‘宇宙录像机’的概念。它还可以研究黑洞旁边的时空扭曲模式到底是什么样的。”

刘继峰说，“宇宙录像机”可以改变观测模式。原来的模式是“巡视”，“来回在天上看，一星期看一遍。但是所谓爆炸瞬间就早期几个小时的事，一星期看一遍怎么能抓住那几个小时呢？有没有一种可能性，对任何一个地方半个小时看它一次？基本的想法就是用望远镜组阵。”

“组阵这谁都想，核心问题是多贵。”刘继峰介绍，美国加州理工大学的1米望远镜视场大，7度×7度将近有50平方度，相当于可以“塞下”200个月亮。如果用它组阵，就需要二三十个望远镜。而这个改造而来的望远镜光改造费就花了3000万美元。“能不能视场小一点？视场小一点单个望远镜是便宜了，但数量上去了。”

但刘继峰表示，依靠国家天文台的力量，通过走自主研发的工业化道路，“宇宙录像机”原型机已在研发中，1米望远镜视场是国外的1/2，但价格降低数倍，明年夏天原型机将进行安装调试，未来“宇宙录像机”或将架设在青海冷湖。

经过30多年发展，我国天文领域国家资金投入力度越来越大，拥有了LAMOST、中国天眼等国家级重大科学设施。刘继峰说，2023年初，我国还将发射爱因斯坦探针（EP）卫星和中法SVOM卫星，2024年发射2米口径的中国空间站巡天望远镜。

在人才积累方面，刘继峰说，30年前全国天文学教授不超过50人，如今已有500多人，天文领域所有就业人数有两三千人，这为后续科学研究提供了支撑。“在将来的10-15年，我们有能力把一个4-6米的紫外光学天文台发射到第二拉格朗日点，探测系外生命信号。”

对于中国的天文研究水平，刘继峰评价，从点上看，中国天文学已有很多达到领先地位的突破；从面上讲，仍有差距。其中一个指标是就业人数，“美国3亿人里有2万天文学家，咱们14亿人里有2000多天文学家。我们整体发展水平还是相对偏低，这个差距等着我们后边这10年20年填补。”

当前天文教育只重知识传授，要向核心素养培养型转变

刘继峰本科和研究生毕业于北京大学，2005年博士毕业于美国密歇根大学天文系，其后进入哈佛大学史密松天文台做博士后研究，获得美国宇航局颁发的“爱因斯坦学者”奖资助，从事天体物理方面的研究工作。

在这里，刘继峰与联邦科学家杰弗里·麦克林托克合作，利用X射线谱特征测量黑洞自转和探测黑洞周围的时空弯曲。2009年起他被聘为史密松天文台独立研究员，从事包括I型超新星前身星的一些工作。

2010年，刘继峰从哈佛大学到国家天文台工作，2011年起在中国科学院大学任岗位教授。2015年，国科大天文学院成立，刘继峰担任学院副院长。

他对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，当前天文教育的问题是只重视知识传授，“我们不缺复读机，不缺百度百科，我们缺的是科技创新人才。”天文教育一定要从知识传授型向核心素养培养型转变，围绕学生的成长设计课程、教材、教学方式，激发学生兴趣，让学生在探索中得到肯定。

“咱们国家的职业天文学家2000人左右，对天文感兴趣的孩子有多少呢？这个数目就太大了，因为每一个人内心都有一个小宇宙，都对宇宙感兴趣，想去学一学、动手玩一玩。”

初中时期的刘继峰就曾自制望远镜。通过当时《天文爱好者》杂志给订购者提供的邮购目录，他买过两枚凸透镜和用墨汁涂黑的两个纸筒，做了个物理口径只有5厘米的伽利略式简易望远镜，还拉着同学调试着玩，对天文的兴趣也越来越浓。

刘继峰介绍，在高等教育方面，目前国科大天文学院正在开展小天眼探索社区项目。“我们让天眼科学家团队设计科创课题，给学生讲天眼是怎么工作的，带着他们试图复制一个小天眼。”

天眼是500米口径的球面射电望远镜，“我们做一个20米口径的小天眼，让学生自己操作，不光是天文系的学生，我们也会把其他专业的学生拉进来，小天眼能真正工作，可以看木星升起来，看银心的射电。”

改革的成果将应用于中小学教育。“我们现在正在筹建一个全国性天文科学教育联盟，集合各种资源，包括职业天文学家提供权威性的教材、课程、课题指导，集合权威的专业天文机构提供支撑保障，提供设备标准化方案、运行方案和维护服务。”刘继峰表示，联盟就是要帮助学生在自我驱动下创新。

标签： 黑洞 刘继峰 太阳质量 宇宙 望远镜 天文 超新星 录像机

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