来源:Nano Letters(2024)

在过去的几个月里，《今日宇宙》探索了大量的科学领域，包括撞击坑、行星表面、系外行星、天体生物学、太阳物理学、彗星、行星大气、行星地球物理、宇宙化学、陨石、射电天文学、极端微生物和有机化学，以及这些不同的学科如何帮助科学家和公众更好地了解我们在宇宙中的位置。

在这里，我们将与罗德岛大学物理系教授Gaurav Khanna博士就研究黑洞的重要性，研究黑洞的好处和挑战，研究黑洞的令人兴奋的方面以及即将到来的学生如何继续研究黑洞进行讨论。

那么，研究黑洞的重要性是什么呢?

卡纳博士告诉《今日宇宙》:“引力是已知的最古老的力量，但也是自然界中最不为人所知的力量。”“对于研究引力的学生来说，黑洞是最有趣的研究对象之一，因为引力是那里的主导力量——事实上，它是无限强大的!”还有天体物理学上对黑洞感兴趣的原因。它们在星系中扮演着重要的角色，甚至在宇宙的大规模行为中也扮演着重要的角色。

“关于黑洞要注意的另一件事是，它们非常‘简单’，尤其是与恒星和其他天体相比。这是所谓的“无毛”定理的结果，该定理指出黑洞只能用三个属性——质量、电荷和自旋——来完全表征。这种简单性使它们对学习和研究特别有吸引力。”

众所周知，黑洞具有极强的引力，光线甚至无法逃逸。1915年阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论通常被认为是黑洞概念的首次提出，而黑洞的大小和引力不允许光线逃逸的物体的概念最早是由英国哲学家兼牧师约翰·米切尔在1784年11月的一封信中提出的。

在这封信中，米切尔将这些天体称为“暗星”，因为他假设直径超过太阳直径500倍的恒星会引发这些天体的形成。此外，他还提出，影响附近天体的引力波将使这些天体能够被探测到。

快进到爱因斯坦的广义相对论，它还预测了黑洞和引力波的存在，这两个理论在整个20世纪都继续受到仔细研究，其中包括所谓的“广义相对论的黄金时代”，即20世纪60年代和70年代。这包括第一个被科学界接受为黑洞的物体，被称为天鹅座X-1，它是在1964年发现的。然而，引力波的存在又花了52年的时间才通过黑洞合并得到证实，这是由LIGO科学合作组织完成的。

因此，考虑到黑洞的广泛历史和最近几年才出现的关键发现，研究黑洞的好处和挑战是什么?

卡纳博士告诉《今日宇宙》，“正如我上面所说的，研究黑洞是爱因斯坦相对论的结果，可以在最基本的层面上洞悉引力、空间和时间的本质。作为物理学家，我们还没有完全理解引力的量子本质，而黑洞是解开这个谜团的关键。

“关于挑战，我想说，最明显的挑战可能是黑洞只能间接观察到。与恒星不同的是，由于它们本身不发射辐射，天文学家很难收集到它们的数据。我们最多只能观察到它们对周围环境(如气体、恒星等)的影响，并推断出它们的性质和行为。

“在理论方面，虽然与恒星相比，黑洞确实非常‘简单’，但仍然存在挑战。描述它们的数学和物理学相当先进，甚至涉及它们的计算机模拟也具有挑战性，需要大量的处理能力和内存。”

从1915年爱因斯坦提出广义相对论到2016年引力波的证实，花了100多年的时间，而天文学家只花了三年时间就发布了第一张梅西耶87星系中心黑洞的直接图像。

研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，基于2017年强大的事件视界望远镜(EHT)的观测结果。梅西耶87距离地球约5300万光年，而距离地球最近的假设黑洞盖亚BH1距离地球约1560光年。2022年，天文学家发布了人马座a *的直接图像，这是我们银河系中心的超大质量黑洞。

卡纳博士告诉《今日宇宙》:“我想我可能会参考我最近的一项研究，即非常快速旋转的黑洞如何试图‘长出毛发’，但最终失败了。这个项目很有趣，因为它似乎违反了我之前提到的“无毛”定理，但最终并没有。所以，这是挑衅，但随后缓解!

“更重要的是，我们现在正在利用该研究的主要背景来开发一种新的观测‘特征’或测试，用于快速旋转的黑洞，也就是近极端黑洞。这样的黑洞有几个特殊的性质和方面，是一个活跃的研究领域。”

黑洞是由天文学家、物理学家和天体物理学家研究的，他们结合理论和观测来构建黑洞的样子，并且在极少数情况下，如前所述，获得它们的直接图像。在理论方面，研究人员使用数学计算和计算机模型来模拟黑洞的样子，然后使用像EHT这样强大的地面望远镜来获得黑洞的少数直接图像。

值得注意的是，这些直接图像并没有捕捉到黑洞本身，而是捕捉到了环绕黑洞视界的气体，也就是光线无法逃离黑洞的非官方边界。

但是康纳博士能给那些想要研究黑洞的学生提供什么建议呢?

康纳博士告诉《今日宇宙》:“我会给他们很多鼓励!在这个空间里有很多事情要做，有很多谜团要解决。新的观察结果将为研究打开许多新的大门和全新的途径。这是成为黑洞天体物理学家的最佳时机之一!”

卡纳博士继续说道:“我想说的一件事可能在其他地方没有被强调，那就是计算作为研究黑洞的工具。大多数情况下，学校非常强调学习高等数学作为黑洞严肃研究的背景——这是有充分理由的——这对每一个学习爱因斯坦相对论的学生来说都是至关重要的，相对论是黑洞物理学的基础。

“近年来，计算机模拟发展迅速，人们现在可以使用计算工具对深层次问题做出重大发现。从长远来看，计算机编程将是推进这一领域和许多其他领域研究的一个非常有前途的工具。”