2023年11月10日晚，由世界杯预选赛买球、北京现代物理研究中心、北京物理学会主办的“世界杯预选赛买球物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第十六期）在世界杯预选赛买球第二教学楼301教室举行。世界杯预选赛买球讲席教授、科维理天文与天体物理研究所所长，美国艺术与科学院院士何子山应邀讲授“引力的重要作用：超大质量黑洞与它们对星系的影响”（Gravity’s Fatal Attraction: Supermassive Black Holes and their Impact on Galaxies）。本期讲堂由世界杯预选赛买球院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

天文学是一门探索宇宙中天体起源及演化的基础学科，其研究对象涵盖各个层次的天体，包括太阳和太阳系内各种天体、恒星及其行星系统、银河系和河外星系乃至整个宇宙。在20世纪，随着以相对论和量子论为代表的现代物理学的建立，以及高能、紫外、光学、红外和无线电探测技术手段的突飞猛进，激动人心的天文学发现不断涌现，人类对宇宙的认识一次次有了革命性飞跃。21世纪以来，物理学的“两朵新乌云”——暗物质和暗能量，与黑洞及宇宙起源、天体起源和生命起源（合称“两暗一黑三起源）成为当前宏观世界的研究前沿。

霍金曾在书中写道，“黑洞比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪，但它们是坚实的科学事实”（Black holes are stranger than anything dreamt up by science fiction writers, but they are firmly matters of science fact）。1783年，米歇尔（J. Michell）提出可能存在一种密度大到连光都无法逃逸的“暗星”；1915年，爱因斯坦（A. Einstein）提出用广义相对论描述引力；上世纪30年代，奥本海默（J. R. Oppenheimer）等提出超过一定质量的恒星在死亡阶段可能坍缩成一个致密的奇点；1967年，惠勒（J. A. Wheeler）提出“黑洞”这一术语，将黑洞喻为宇宙的“吸光器”，任何发射到黑洞的光都有去无返。

黑洞密度极大、体积极小，具有超强的吸引力。根据质量大小，大致分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、超大质量黑洞（100万倍到数百亿倍太阳质量）和中等质量黑洞（质量介于二者之间）。黑洞被认为是宇宙中最神秘的天体，几乎全部质量集中于中心的奇点处，周围形成一个强大的引力场；阻止光逃逸的引力场边界被称为事件视界。

何子山告诉同学们，所有活动星系的核心都有至少一个超大质量黑洞

对黑洞的形成、结构、性质及其演化规律进行研究，对于人类深入认识宇宙演化具有重要的意义。尽管黑洞无法被直接观测，但由于周围物质被黑洞吸积时会形成一个围绕黑洞旋转、热且亮的吸积盘，因此可以通过观测吸积盘来证明黑洞的存在。1964年，贾科尼（R. Giacconi）利用探空火箭发现了第一颗恒星级黑洞（天鹅座X1）。上世纪90年代以来，根策尔（R. Genzel）和盖兹（A. Ghez）运用自适应光学技术，分别观测到银河系中心存在超大质量黑洞的证据，并计算出其质量约为太阳质量的400万倍；这是人类首次获得星系中心存在超大质量黑洞的确切证据（2020年，他们与证明黑洞是爱因斯坦广义相对论直接结果的彭罗斯（R. Penrose）分享了诺贝尔物理学奖）。今年6月，中国脉冲星测时阵列研究团队宣布，利用500米口径球面射电望远镜（FAST）探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，与超大质量双黑洞系统的理论预期一致，对星系演化和超大质量黑洞研究具有深远的影响。近日，美国天文学家宣布，利用詹姆斯·韦布空间望远镜和美国钱德拉X射线天文台观测到迄今通过X射线发现的最遥远的黑洞，质量约为1000万倍至1亿倍太阳质量，距离地球约132亿光年。

最令同学们震撼的当属事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）合作组织2019年4月发布的室女座星系团中巨椭圆星系梅西耶87（M87）中心的黑洞（质量为65亿倍太阳质量，距离地球约5500万光年）照片；这是人类首次“眼见”超大质量黑洞“为实”的直接视觉证据。EHT将分布在四大洲八个观测点的毫米波射电望远镜组成一个口径如地球大小的虚拟望远镜网络，精确测量了M87黑洞的质量和自旋，直接证明了黑洞的存在及与广义相对论预期一致。2021年3月，发布了M87黑洞的偏振图像；这是人类首次在接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。2022年5月，发布了人马座A*超大质量黑洞（质量超过400万倍太阳质量，距离太阳系约2.7万光年）的照片；这是人类首次获得银河系中心超大质量黑洞真实存在的直接视觉证据。今年4月，又发布了M87黑洞阴影及其周围环状结构和强大喷流的“全景图”，首次表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。

何子山认为，对超大质量黑洞的研究将为揭开星系形成和演化、纳赫兹低频引力波等诸多谜团提供强大的工具

何子山说：“黑洞对我来说，从一开始就充满着神奇的吸引力。”他不讳言自己因为在本科二年级时无意间听了贺曾朴（Paul T.-P. Ho）教授一场关于黑洞的公众演讲而“冲动地”从哈佛大学哲学系转入天文学系，由此踏上长达三十多年的“星际穿越”之旅。他讲述了自己借助多波段地面及空间望远镜做过的一些既“有意思”又“有意义”的研究工作，例如：使用哈勃空间望远镜直接探测大部分邻近星系中心的黑洞，确认了黑洞在星系形成过程中逐渐成长这一物理图像；通过构建超大质量黑洞的统一模型，更好地理解超大质量黑洞如何吸积物质并与周围环境发生相互作用，以及超大质量黑洞的成长及其在星系形成中的作用；首次提出中等质量黑洞可能是本地超大质量黑洞的种子，通过研究邻近星系中种子黑洞的诸多细节，更深入地了解黑洞如何对星系形成产生影响。

何子山也提到，现代天文学观测追求高噪声下的微弱信号探测、极大的探测面积、极高的空间分辨率和时间分辨率、极精确的空间导向和定位、极精密的计时以及海量数据、计算和信息提取，支撑战略性、基础性、前瞻性研究的大科学装置是各种尖端技术的集合体，因此天文学既是尖端技术进步的催化剂，又是综合国力竞争的制高点。天文学与物理学的结合产生了天体物理学，为验证包括广义相对论在内的物理理论和基本原理提供了天然的实验室。

同学们对黑洞背后的光心驰神迷

何子山悉心回答了同学们感兴趣的黑洞无毛定理、原初黑洞、标准宇宙学模型（ΛCDM）等问题。他希望年轻的北大物理人以天文学守望如磐初心、承载浪漫遐思，在浩渺星河中“洞”见宇宙的昨天和人类的明天。

何子山（一排右三）、高原宁（一排右二）寄语同学们：“星辰大海，才是你们的征途。”