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拍到“黑洞”的科学家——吴庆文教授来鄂南高中了!
【作者】 【来源】 【发布日期】2019年04月17日 【已阅读】388次
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最美鄂高四月天,姹紫嫣红春满园。416日,华中科技大学物理学院教授、人类历史上首张黑洞照片参与拍摄成员——吴庆文教授一行莅临鄂南高中,在学术报告厅为学生作了《解读人类首张黑洞照片》的报告。沈文炳老师主持了报告会。吴庆文教授的报告精彩纷呈、风趣幽默、深入浅出,把最新科学前沿和热点与哲学、高中物理相结合,采用图文并茂的形式,给学生带来了一场思想与知识的盛宴,激发了学生对科学的热情和奋斗的动力。

吴庆文教授的讲座分为三个部分:

第一、黑洞前生。吴庆文介绍了伽利略、牛顿、爱因斯坦和霍金等科学家对宇宙探索的过程,介绍了爱因斯坦广义相对论的时空观及其现象:光线偏折、引力红移、水星近日点运动、雷达回波的时间延迟和引力波等。吴庆文重点介绍了黑洞早期研究过程。1916年初,德国天文学家史瓦西得到了球状物体周围引力场的精确解,并预言了“黑洞”的存在。黑洞边缘叫做“事件视界”,黑洞的中心叫做“奇点”。黑洞本身并不发光,但会俘获周围物质,形成“吸积盘”,吸积盘不同半径绕转速度不同,通过摩擦可以把引力能转变为热能,从而被我们看到。1939年,奥本海默等人运用广义相对论方程,计算了没有热核反应的大质量“冷”恒星,击败中子简并压后塌缩形成黑洞的过程。美国物理学家惠勒于1968年在一次讲座中首次提出“黑洞”这一名称。1963年,新西兰数学家克尔发现了一个旋转黑洞的精确解。

第二、黑洞今生。吴庆文介绍了黑洞的种类、黑洞照片的拍摄过程。黑洞分为迷你黑洞、超大质量黑洞和中等质量黑洞。迷你黑洞主要有恒星级黑洞。双星黑洞相互作用会形成引力波。引力波就是广义相对论预言的时空涟漪(扰动的传播)。爱因斯坦说:按广义相对论,有物质就有时空弯曲,我们可以让时空弯曲就像让弹簧变形一样,弹簧的变形可以传播,时空的弯曲也可以传播,引力波就是时空的波动。超大质量黑洞的质量为1051010倍太阳质量。每个星系中心都至少存在一个超大质量黑洞。星系造就了黑洞,黑洞影响了星系演化!中等质量黑洞的质量为102105太阳质量。中等黑洞已发现初步证据,但观测证据依旧稀少!

吴庆文重点讲述了首张黑洞照片的诞生过程。201745日到11日之间,由位于南极、智利、墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、西班牙的近10台毫米波望远镜(或阵列)组成的“超级望远镜”同时对M87中心黑洞进行了4次非常成功的联合观测。这些望远镜,必须把数据寄到一个地方进行综合处理,然后才能分析。在观测成功以后,由于数据处理相对较为复杂,而且涉及站点很多,每晚的数据量达2PB1PB=106GB),这和欧洲大型对撞机一年产生的数据差不多。为了保证准确性,观测数据用三种完全独立的流程以及多个独立小组进行处理,以保证结果的准确性。而且处理过程非常复杂,要不同独立小组结果几乎相同才会向外发布,因此非常耗时。拍照不易,洗照片更难。

中国科学团队也积极参与了相关研究工作。主要包括中科院上海天文台、云南天文台、中科院高能所、北京大学、华中科技大学、南京大学、中国科学技术大学等10余位科学家参与,其中在观测、数据处理和理论分析等方面都有贡献。吴庆文和研究生冯建超博士主要参与了理论分析方面的工作。他们在过去几年里进行了系列研究,对黑洞吞噬物质过程、黑洞自旋等重要信息做了较好限定,提出这次视界望远镜观测的黑洞图像应该是来自黑洞吞噬的物质,而非相对论性喷流。此外,还发现这个巨型黑洞很有可能是高速自转的。这次拍摄的黑洞照片,较好支持了他们的研究结果。


第三、黑洞未来。吴庆文主要介绍了未来黑洞的研究之路。首先介绍了视界望远镜下一步的可能研究目标:银河系中心超大黑洞照片、拍摄230GHz-345 GHz的更清晰的图片、探索黑洞周围磁场的偏振、探索近邻其他黑洞、黑洞物质抛射原理、等等。接着介绍了我国的“慧眼”卫星及“慧眼”二代。2017615日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”发生升空。20183月,中科院启动了增强型X射线时变与偏振天文台(eXTP)相关研究,将在2025年左右发射,部分性能提高1-2个量级。核心科学目标主要是黑洞等致密天体。然后介绍了“爱因斯坦探针”计划。2021年发射,具有高灵敏度加大视场的特性,核心科学目标是探索黑洞等致密天体及沉睡中的黑洞。最后,吴庆文介绍了“空间引力波-天琴”计划。该计划是更强大的黑洞捕手。20143月,华中科技大学罗俊院士提出,2030-2035年发射在10万公里高度的地球轨道上部署三颗绕卫星,组成17万公里等边三角形,组成空间引力波探测器,主要探测波段在0.0001-1Hz。核心科学目标主要有宇宙中的黑洞:双小黑洞(恒星级)、宇宙早期种子黑洞、大黑洞合并、极端质量比黑洞系统(一大一小)。该计划还有助于探索宇宙诞生几亿年后1010太阳质量的超大质量黑洞的形成、宇宙早期黑洞合并产生的引力波。


吴庆文在报告的最后介绍了华中科技大学物理学院的发展、师资、研究成果、专业排名等情况,欢迎鄂南高中优秀学子积极报考。

报告结束后,吴庆文还回答了学生的提问。学生的提问比较积极,涉及到数学和物理的学习、中国古代的哲学和黑洞研究、英文学习与科学研究、科幻内容与物理知识等等。吴庆文用通俗易懂的语言一一为学生们解答了疑问。

1978年出生的吴庆文教授是华中科技大学的博士生导师、国际天文学联合会会员(IAU)、中国天文学会理事、湖北省天文学会副理事长。

邀请名校教授、历届校友来校讲学和讲座是落实鄂南高中“教研兴校”、“学术治校”理念的重要举措。培养有思想、有科学思维、有国际视野、有良好职业规划的学生,一直是新时代鄂南高中育人的重要理念。埋头苦学是鄂高学子的优良传统,仰望星空是鄂高给予优秀学生的鄂高基因。让学生接触科学前沿、了解科技动态有助于培养学生科学精神和国际视野、开阔学生思维。

供稿:沈文炳

审核:陈哲


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