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

劉繼峰對澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）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，探索黑洞周圍的時空扭曲到底是什么樣的，“后面我們會有更多的手段去探索更多深入的問題?！?/p>

2019年，《自然》發(fā)表了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的發(fā)現(xiàn)，70倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，隨后的研究對質(zhì)量進行了下調(diào)，但依然進入了現(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)量的恒星級黑洞究竟從哪來的問題。目前團隊試圖將大質(zhì)量恒星級黑洞的形成問題進行全鏈條解析?！耙プズ诙葱纬傻乃查g。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，就要有觀測設施能夠進行早期觀測。“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’的概念。它還可以研究黑洞旁邊的時空扭曲模式到底是什么樣的?！眲⒗^峰表示，“宇宙錄像機”原型機已在研發(fā)中，明年夏天原型機將進行安裝調(diào)試，未來“宇宙錄像機”或?qū)⒓茉O在青海冷湖。

對于當前的天文教育，他對澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）表示，目前的問題是只重視知識傳授，“我們不缺復讀機，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傳授型向核心素養(yǎng)培養(yǎng)型轉(zhuǎn)變，圍繞學生的成長設計課程、教材、教學方式，激發(fā)學生興趣，讓學生在探索中得到肯定。

大質(zhì)量恒星級黑洞從哪來？黑洞周圍的時空扭曲是什么樣？

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

黑洞是巨大質(zhì)量集中在一點，形成強大的引力場，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。

“以前科研人員都對單個黑洞測質(zhì)量，測了10來個黑洞，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來個太陽質(zhì)量?！痹谔煳膶W家的預言里，宇宙有上億個黑洞。但過去大約五十年時間里，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)表了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的研究成果。他們提供了一種利用郭守敬望遠鏡（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)量的恒星級黑洞。他們后續(xù)的研究修正了質(zhì)量到25-35個太陽質(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。因為恒星在形成黑洞前會吹出星風喪失物質(zhì)，因此恒星級黑洞不會特別重，“一般十幾個太陽質(zhì)量就到頭了?！?/p>

這顆大質(zhì)量的恒星級黑洞顯然進入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。而激光引力波干涉天文臺（LIGO）還曾探測到質(zhì)量最大的黑洞并合事件：兩個分別約為85倍和65倍太陽質(zhì)量的黑洞合并成一個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散出來。

劉繼峰說，不同研究都指向大質(zhì)量的恒星級黑洞的存在，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？事實上現(xiàn)在理論進入了更加混沌的時期，甚至超新星如何形成黑洞也越發(fā)不清楚了?！?/p>

劉繼峰表示，目前團隊試圖將大質(zhì)量恒星級黑洞的形成問題進行全鏈條解析?！耙プズ诙葱纬傻乃查g。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？”

設法用望遠鏡組陣，“宇宙錄像機”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，就要有觀測設施能夠進行早期觀測。

“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’的概念。它還可以研究黑洞旁邊的時空扭曲模式到底是什么樣的?！?/p>

劉繼峰說，“宇宙錄像機”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小時的事，一星期看一遍怎么能抓住那幾個小時呢？有沒有一種可能性，對任何一個地方半個小時看它一次？基本的想法就是用望遠鏡組陣?！?/p>

“組陣這誰都想，核心問題是多貴?！眲⒗^峰介紹，美國加州理工大學的1米望遠鏡視場大，7度×7度將近有50平方度，相當于可以“塞下”200個月亮。如果用它組陣，就需要二三十個望遠鏡。而這個改造而來的望遠鏡光改造費就花了3000萬美元。“能不能視場小一點？視場小一點單個望遠鏡是便宜了，但數(shù)量上去了?！?/p>

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

經(jīng)過30多年發(fā)展，我國天文領域國家資金投入力度越來越大，擁有了LAMOST、中國天眼等國家級重大科學設施。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鏡。

在人才積累方面，劉繼峰說，30年前全國天文學教授不超過50人，如今已有500多人，天文領域所有就業(yè)人數(shù)有兩三千人，這為后續(xù)科學研究提供了支撐?！霸趯淼?0-15年，我們有能力把一個4-6米的紫外光學天文臺發(fā)射到第二拉格朗日點，探測系外生命信號?！?/p>

對于中國的天文研究水平，劉繼峰評價，從點上看，中國天文學已有很多達到領先地位的突破；從面上講，仍有差距。其中一個指標是就業(yè)人數(shù)，“美國3億人里有2萬天文學家，咱們14億人里有2000多天文學家。我們整體發(fā)展水平還是相對偏低，這個差距等著我們后邊這10年20年填補。”

當前天文教育只重知識傳授，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，2005年博士畢業(yè)于美國密歇根大學天文系，其后進入哈佛大學史密松天文臺做博士后研究，獲得美國宇航局頒發(fā)的“愛因斯坦學者”獎資助，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空彎曲。2009年起他被聘為史密松天文臺獨立研究員，從事包括I型超新星前身星的一些工作。

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

他對澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）表示，當前天文教育的問題是只重視知識傳授，“我們不缺復讀機，不缺百度百科，我們?nèi)钡氖强萍紕?chuàng)新人才?！碧煳慕逃欢ㄒ獜闹R傳授型向核心素養(yǎng)培養(yǎng)型轉(zhuǎn)變，圍繞學生的成長設計課程、教材、教學方式，激發(fā)學生興趣，讓學生在探索中得到肯定。

“咱們國家的職業(yè)天文學家2000人左右，對天文感興趣的孩子有多少呢？這個數(shù)目就太大了，因為每一個人內(nèi)心都有一個小宇宙，都對宇宙感興趣，想去學一學、動手玩一玩?！?/p>

初中時期的劉繼峰就曾自制望遠鏡。通過當時《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紙筒，做了個物理口徑只有5厘米的伽利略式簡易望遠鏡，還拉著同學調(diào)試著玩，對天文的興趣也越來越濃。

劉繼峰介紹，在高等教育方面，目前國科大天文學院正在開展小天眼探索社區(qū)項目。“我們讓天眼科學家團隊設計科創(chuàng)課題，給學生講天眼是怎么工作的，帶著他們試圖復制一個小天眼?！?/p>

天眼是500米口徑的球面射電望遠鏡，“我們做一個20米口徑的小天眼，讓學生自己操作，不光是天文系的學生，我們也會把其他專業(yè)的學生拉進來，小天眼能真正工作，可以看木星升起來，看銀心的射電?！?/p>

改革的成果將應用于中小學教育?！拔覀儸F(xiàn)在正在籌建一個全國性天文科學教育聯(lián)盟，集合各種資源，包括職業(yè)天文學家提供權威性的教材、課程、課題指導，集合權威的專業(yè)天文機構提供支撐保障，提供設備標準化方案、運行方案和維護服務?！眲⒗^峰表示，聯(lián)盟就是要幫助學生在自我驅(qū)動下創(chuàng)新。