2019年，全球首張黑洞照片發(fā)布，人類的技術(shù)能力已經(jīng)從間接探知黑洞到直接“看見”它，但黑洞的故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束。今年未來科學(xué)大獎(jiǎng)周期間，澎湃新聞（www.kxwhcb.com）對(duì)話中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長劉繼峰，聊了聊黑洞研究、天文教育等話題。

劉繼峰對(duì)澎湃新聞（www.kxwhcb.com）表示，目前已經(jīng)可以用多種手段探測黑洞，前期的研究證實(shí)了黑洞的存在，測量了黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)，跨越基本參數(shù)階段后人類將研究更多黑洞之謎，例如測量黑洞的分布，探索黑洞周圍的時(shí)空扭曲到底是什么樣的，“后面我們會(huì)有更多的手段去探索更多深入的問題。”

2019年，《自然》發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，70倍太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，隨后的研究對(duì)質(zhì)量進(jìn)行了下調(diào)，但依然進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。劉繼峰說，已有不同的研究都引發(fā)大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞究竟從哪來的問題。目前團(tuán)隊(duì)試圖將大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞的形成問題進(jìn)行全鏈條解析。“要去抓黑洞形成的瞬間。但是怎么抓住呢？黑洞的形成是很快的過程。”

要抓到超新星爆炸形成黑洞的瞬間，就要有觀測設(shè)施能夠進(jìn)行早期觀測。“一旦發(fā)現(xiàn)超新星爆炸就盯著它看，或者就算沒有發(fā)現(xiàn)超新星也盯著看。我們提出了 ‘宇宙錄像機(jī)’的概念。它還可以研究黑洞旁邊的時(shí)空扭曲模式到底是什么樣的。”劉繼峰表示，“宇宙錄像機(jī)”原型機(jī)已在研發(fā)中，明年夏天原型機(jī)將進(jìn)行安裝調(diào)試，未來“宇宙錄像機(jī)”或?qū)⒓茉O(shè)在青海冷湖。

對(duì)于當(dāng)前的天文教育，他對(duì)澎湃新聞（www.kxwhcb.com）表示，目前的問題是只重視知識(shí)傳授，“我們不缺復(fù)讀機(jī)，不缺百度百科，我們?nèi)钡氖强萍紕?chuàng)新人才。”天文教育一定要從知識(shí)傳授型向核心素養(yǎng)培養(yǎng)型轉(zhuǎn)變，圍繞學(xué)生的成長設(shè)計(jì)課程、教材、教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生在探索中得到肯定。

大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞從哪來？黑洞周圍的時(shí)空扭曲是什么樣？

200多年前，科研人員就設(shè)想宇宙中存在一種質(zhì)量巨大、引力強(qiáng)到連光也無法逃脫的天體。直到上世紀(jì)60年代美國天體物理學(xué)家才命名了“黑洞”。

黑洞是巨大質(zhì)量集中在一點(diǎn)，形成強(qiáng)大的引力場，連光線也無法逃逸。按照質(zhì)量大小，黑洞分為恒星級(jí)黑洞（不到100倍太陽質(zhì)量）、中等質(zhì)量黑洞（100-10萬倍太陽質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（10萬倍太陽質(zhì)量以上）。其中，恒星級(jí)黑洞由大質(zhì)量恒星死亡形成，宇宙中有很多。某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷超新星爆炸，爆炸后如果還有殘骸剩余，要么是極端致密的中子星，要么就是黑洞。

“以前科研人員都對(duì)單個(gè)黑洞測質(zhì)量，測了10來個(gè)黑洞，就發(fā)現(xiàn)黑洞的分布還挺奇怪，小黑洞沒有，大的黑洞有10來個(gè)太陽質(zhì)量。”在天文學(xué)家的預(yù)言里，宇宙有上億個(gè)黑洞。但過去大約五十年時(shí)間里，X射線只暴露了約20顆黑洞，均在3到20倍太陽質(zhì)量之間。

2019年，《自然》發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)的研究成果。他們提供了一種利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法，發(fā)現(xiàn)了70倍太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞。他們后續(xù)的研究修正了質(zhì)量到25-35個(gè)太陽質(zhì)量，但是現(xiàn)有理論依然難于產(chǎn)生。

依據(jù)現(xiàn)有理論分析，具有類似太陽元素豐度的恒星演化很難形成20倍以上太陽質(zhì)量的黑洞。因?yàn)楹阈窃谛纬珊诙辞皶?huì)吹出星風(fēng)喪失物質(zhì)，因此恒星級(jí)黑洞不會(huì)特別重，“一般十幾個(gè)太陽質(zhì)量就到頭了。”

這顆大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞顯然進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。而激光引力波干涉天文臺(tái)（LIGO）還曾探測到質(zhì)量最大的黑洞并合事件：兩個(gè)分別約為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并成一個(gè)142倍太陽質(zhì)量的黑洞，中間損失的等同8倍太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式在宇宙中擴(kuò)散出來。

劉繼峰說，不同研究都指向大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞的存在，也引發(fā)了它們究竟從哪來的問題，“原來很簡單地認(rèn)為大質(zhì)量恒星死了形成大黑洞，小質(zhì)量星死了形成小黑洞，再小的質(zhì)量就不形成黑洞。現(xiàn)在已經(jīng)看到了現(xiàn)有理論必須修改，修改的步伐有多大？事實(shí)上現(xiàn)在理論進(jìn)入了更加混沌的時(shí)期，甚至超新星如何形成黑洞也越發(fā)不清楚了。”

劉繼峰表示，目前團(tuán)隊(duì)試圖將大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞的形成問題進(jìn)行全鏈條解析。“要去抓黑洞形成的瞬間。但是怎么抓住呢？黑洞的形成是很快的過程，形成的過程怎么看到？超新星爆炸留下了什么信息？”

設(shè)法用望遠(yuǎn)鏡組陣，“宇宙錄像機(jī)”抓住超新星爆炸形成黑洞的瞬間

要抓到超新星爆炸形成黑洞的瞬間，就要有觀測設(shè)施能夠進(jìn)行早期觀測。

“一旦發(fā)現(xiàn)超新星爆炸就盯著它看，或者就算沒有發(fā)現(xiàn)超新星也盯著看。我們提出了 ‘宇宙錄像機(jī)’的概念。它還可以研究黑洞旁邊的時(shí)空扭曲模式到底是什么樣的。”

劉繼峰說，“宇宙錄像機(jī)”可以改變觀測模式。原來的模式是“巡視”，“來回在天上看，一星期看一遍。但是所謂爆炸瞬間就早期幾個(gè)小時(shí)的事，一星期看一遍怎么能抓住那幾個(gè)小時(shí)呢？有沒有一種可能性，對(duì)任何一個(gè)地方半個(gè)小時(shí)看它一次？基本的想法就是用望遠(yuǎn)鏡組陣。”

“組陣這誰都想，核心問題是多貴。”劉繼峰介紹，美國加州理工大學(xué)的1米望遠(yuǎn)鏡視場大，7度×7度將近有50平方度，相當(dāng)于可以“塞下”200個(gè)月亮。如果用它組陣，就需要二三十個(gè)望遠(yuǎn)鏡。而這個(gè)改造而來的望遠(yuǎn)鏡光改造費(fèi)就花了3000萬美元。“能不能視場小一點(diǎn)？視場小一點(diǎn)單個(gè)望遠(yuǎn)鏡是便宜了，但數(shù)量上去了。”

但劉繼峰表示，依靠國家天文臺(tái)的力量，通過走自主研發(fā)的工業(yè)化道路，“宇宙錄像機(jī)”原型機(jī)已在研發(fā)中，1米望遠(yuǎn)鏡視場是國外的1/2，但價(jià)格降低數(shù)倍，明年夏天原型機(jī)將進(jìn)行安裝調(diào)試，未來“宇宙錄像機(jī)”或?qū)⒓茉O(shè)在青海冷湖。

經(jīng)過30多年發(fā)展，我國天文領(lǐng)域國家資金投入力度越來越大，擁有了LAMOST、中國天眼等國家級(jí)重大科學(xué)設(shè)施。劉繼峰說，2023年初，我國還將發(fā)射愛因斯坦探針（EP）衛(wèi)星和中法SVOM衛(wèi)星，2024年發(fā)射2米口徑的中國空間站巡天望遠(yuǎn)鏡。

在人才積累方面，劉繼峰說，30年前全國天文學(xué)教授不超過50人，如今已有500多人，天文領(lǐng)域所有就業(yè)人數(shù)有兩三千人，這為后續(xù)科學(xué)研究提供了支撐。“在將來的10-15年，我們有能力把一個(gè)4-6米的紫外光學(xué)天文臺(tái)發(fā)射到第二拉格朗日點(diǎn)，探測系外生命信號(hào)。”

對(duì)于中國的天文研究水平，劉繼峰評(píng)價(jià)，從點(diǎn)上看，中國天文學(xué)已有很多達(dá)到領(lǐng)先地位的突破；從面上講，仍有差距。其中一個(gè)指標(biāo)是就業(yè)人數(shù)，“美國3億人里有2萬天文學(xué)家，咱們14億人里有2000多天文學(xué)家。我們整體發(fā)展水平還是相對(duì)偏低，這個(gè)差距等著我們后邊這10年20年填補(bǔ)。”

當(dāng)前天文教育只重知識(shí)傳授，要向核心素養(yǎng)培養(yǎng)型轉(zhuǎn)變

劉繼峰本科和研究生畢業(yè)于北京大學(xué)，2005年博士畢業(yè)于美國密歇根大學(xué)天文系，其后進(jìn)入哈佛大學(xué)史密松天文臺(tái)做博士后研究，獲得美國宇航局頒發(fā)的“愛因斯坦學(xué)者”獎(jiǎng)資助，從事天體物理方面的研究工作。

在這里，劉繼峰與聯(lián)邦科學(xué)家杰弗里·麥克林托克合作，利用X射線譜特征測量黑洞自轉(zhuǎn)和探測黑洞周圍的時(shí)空彎曲。2009年起他被聘為史密松天文臺(tái)獨(dú)立研究員，從事包括I型超新星前身星的一些工作。

2010年，劉繼峰從哈佛大學(xué)到國家天文臺(tái)工作，2011年起在中國科學(xué)院大學(xué)任崗位教授。2015年，國科大天文學(xué)院成立，劉繼峰擔(dān)任學(xué)院副院長。

他對(duì)澎湃新聞（www.kxwhcb.com）表示，當(dāng)前天文教育的問題是只重視知識(shí)傳授，“我們不缺復(fù)讀機(jī)，不缺百度百科，我們?nèi)钡氖强萍紕?chuàng)新人才。”天文教育一定要從知識(shí)傳授型向核心素養(yǎng)培養(yǎng)型轉(zhuǎn)變，圍繞學(xué)生的成長設(shè)計(jì)課程、教材、教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生在探索中得到肯定。

“咱們國家的職業(yè)天文學(xué)家2000人左右，對(duì)天文感興趣的孩子有多少呢？這個(gè)數(shù)目就太大了，因?yàn)槊恳粋€(gè)人內(nèi)心都有一個(gè)小宇宙，都對(duì)宇宙感興趣，想去學(xué)一學(xué)、動(dòng)手玩一玩。”

初中時(shí)期的劉繼峰就曾自制望遠(yuǎn)鏡。通過當(dāng)時(shí)《天文愛好者》雜志給訂購者提供的郵購目錄，他買過兩枚凸透鏡和用墨汁涂黑的兩個(gè)紙筒，做了個(gè)物理口徑只有5厘米的伽利略式簡易望遠(yuǎn)鏡，還拉著同學(xué)調(diào)試著玩，對(duì)天文的興趣也越來越濃。

劉繼峰介紹，在高等教育方面，目前國科大天文學(xué)院正在開展小天眼探索社區(qū)項(xiàng)目。“我們讓天眼科學(xué)家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)科創(chuàng)課題，給學(xué)生講天眼是怎么工作的，帶著他們?cè)噲D復(fù)制一個(gè)小天眼。”

天眼是500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡，“我們做一個(gè)20米口徑的小天眼，讓學(xué)生自己操作，不光是天文系的學(xué)生，我們也會(huì)把其他專業(yè)的學(xué)生拉進(jìn)來，小天眼能真正工作，可以看木星升起來，看銀心的射電。”

改革的成果將應(yīng)用于中小學(xué)教育。“我們現(xiàn)在正在籌建一個(gè)全國性天文科學(xué)教育聯(lián)盟，集合各種資源，包括職業(yè)天文學(xué)家提供權(quán)威性的教材、課程、課題指導(dǎo)，集合權(quán)威的專業(yè)天文機(jī)構(gòu)提供支撐保障，提供設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化方案、運(yùn)行方案和維護(hù)服務(wù)。”劉繼峰表示，聯(lián)盟就是要幫助學(xué)生在自我驅(qū)動(dòng)下創(chuàng)新。