2023年11月10日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心、北京物理學會主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第十六期）在beat365第二教學樓301教室舉行。beat365講席教授、科維理天文與天體物理研究所所長，美國藝術與科學院院士何子山應邀講授“引力的重要作用：超大質量黑洞與它們對星系的影響”（Gravity’s Fatal Attraction: Supermassive Black Holes and their Impact on Galaxies）。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

天文學是一門探索宇宙中天體起源及演化的基礎學科，其研究對象涵蓋各個層次的天體，包括太陽和太陽系内各種天體、恒星及其行星系統、銀河系和河外星系乃至整個宇宙。在20世紀，随着以相對論和量子論為代表的現代物理學的建立，以及高能、紫外、光學、紅外和無線電探測技術手段的突飛猛進，激動人心的天文學發現不斷湧現，人類對宇宙的認識一次次有了革命性飛躍。21世紀以來，物理學的“兩朵新烏雲”——暗物質和暗能量，與黑洞及宇宙起源、天體起源和生命起源（合稱“兩暗一黑三起源）成為當前宏觀世界的研究前沿。

霍金曾在書中寫道，“黑洞比科幻作家夢想的任何東西都更奇怪，但它們是堅實的科學事實”（Black holes are stranger than anything dreamt up by science fiction writers, but they are firmly matters of science fact）。1783年，米歇爾（J. Michell）提出可能存在一種密度大到連光都無法逃逸的“暗星”；1915年，愛因斯坦（A. Einstein）提出用廣義相對論描述引力；上世紀30年代，奧本海默（J. R. Oppenheimer）等提出超過一定質量的恒星在死亡階段可能坍縮成一個緻密的奇點；1967年，惠勒（J. A. Wheeler）提出“黑洞”這一術語，将黑洞喻為宇宙的“吸光器”，任何發射到黑洞的光都有去無返。

黑洞密度極大、體積極小，具有超強的吸引力。根據質量大小，大緻分為恒星級黑洞（100倍太陽質量以下）、超大質量黑洞（100萬倍到數百億倍太陽質量）和中等質量黑洞（質量介于二者之間）。黑洞被認為是宇宙中最神秘的天體，幾乎全部質量集中于中心的奇點處，周圍形成一個強大的引力場；阻止光逃逸的引力場邊界被稱為事件視界。

何子山告訴同學們，所有活動星系的核心都有至少一個超大質量黑洞

對黑洞的形成、結構、性質及其演化規律進行研究，對于人類深入認識宇宙演化具有重要的意義。盡管黑洞無法被直接觀測，但由于周圍物質被黑洞吸積時會形成一個圍繞黑洞旋轉、熱且亮的吸積盤，因此可以通過觀測吸積盤來證明黑洞的存在。1964年，賈科尼（R. Giacconi）利用探空火箭發現了第一顆恒星級黑洞（天鵝座X1）。上世紀90年代以來，根策爾（R. Genzel）和蓋茲（A. Ghez）運用自适應光學技術，分别觀測到銀河系中心存在超大質量黑洞的證據，并計算出其質量約為太陽質量的400萬倍；這是人類首次獲得星系中心存在超大質量黑洞的确切證據（2020年，他們與證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論直接結果的彭羅斯（R. Penrose）分享了諾貝爾物理學獎）。今年6月，中國脈沖星測時陣列研究團隊宣布，利用500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據，與超大質量雙黑洞系統的理論預期一緻，對星系演化和超大質量黑洞研究具有深遠的影響。近日，美國天文學家宣布，利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡和美國錢德拉X射線天文台觀測到迄今通過X射線發現的最遙遠的黑洞，質量約為1000萬倍至1億倍太陽質量，距離地球約132億光年。

最令同學們震撼的當屬事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）合作組織2019年4月發布的室女座星系團中巨橢圓星系梅西耶87（M87）中心的黑洞（質量為65億倍太陽質量，距離地球約5500萬光年）照片；這是人類首次“眼見”超大質量黑洞“為實”的直接視覺證據。EHT将分布在四大洲八個觀測點的毫米波射電望遠鏡組成一個口徑如地球大小的虛拟望遠鏡網絡，精确測量了M87黑洞的質量和自旋，直接證明了黑洞的存在及與廣義相對論預期一緻。2021年3月，發布了M87黑洞的偏振圖像；這是人類首次在接近黑洞邊緣處測得表征磁場特征的偏振信息。2022年5月，發布了人馬座A*超大質量黑洞（質量超過400萬倍太陽質量，距離太陽系約2.7萬光年）的照片；這是人類首次獲得銀河系中心超大質量黑洞真實存在的直接視覺證據。今年4月，又發布了M87黑洞陰影及其周圍環狀結構和強大噴流的“全景圖”，首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯系。

何子山認為，對超大質量黑洞的研究将為揭開星系形成和演化、納赫茲低頻引力波等諸多謎團提供強大的工具

何子山說：“黑洞對我來說，從一開始就充滿着神奇的吸引力。”他不諱言自己因為在本科二年級時無意間聽了賀曾樸（Paul T.-P. Ho）教授一場關于黑洞的公衆演講而“沖動地”從哈佛大學哲學系轉入天文學系，由此踏上長達三十多年的“星際穿越”之旅。他講述了自己借助多波段地面及空間望遠鏡做過的一些既“有意思”又“有意義”的研究工作，例如：使用哈勃空間望遠鏡直接探測大部分鄰近星系中心的黑洞，确認了黑洞在星系形成過程中逐漸成長這一物理圖像；通過構建超大質量黑洞的統一模型，更好地理解超大質量黑洞如何吸積物質并與周圍環境發生相互作用，以及超大質量黑洞的成長及其在星系形成中的作用；首次提出中等質量黑洞可能是本地超大質量黑洞的種子，通過研究鄰近星系中種子黑洞的諸多細節，更深入地了解黑洞如何對星系形成産生影響。

何子山也提到，現代天文學觀測追求高噪聲下的微弱信号探測、極大的探測面積、極高的空間分辨率和時間分辨率、極精确的空間導向和定位、極精密的計時以及海量數據、計算和信息提取，支撐戰略性、基礎性、前瞻性研究的大科學裝置是各種尖端技術的集合體，因此天文學既是尖端技術進步的催化劑，又是綜合國力競争的制高點。天文學與物理學的結合産生了天體物理學，為驗證包括廣義相對論在内的物理理論和基本原理提供了天然的實驗室。

同學們對黑洞背後的光心馳神迷

何子山悉心回答了同學們感興趣的黑洞無毛定理、原初黑洞、标準宇宙學模型（ΛCDM）等問題。他希望年輕的北大物理人以天文學守望如磐初心、承載浪漫遐思，在浩渺星河中“洞”見宇宙的昨天和人類的明天。

何子山（一排右三）、高原甯（一排右二）寄語同學們：“星辰大海，才是你們的征途。”