物理

他是科学家也是好奇宝宝,他就是发现了黑洞吸积盘的苏尼阿耶夫

兮伯青德 发表于  2018-02-12 08:19

2014年5月,在北京国际机场,我第一次见到了拉希德·苏尼阿耶夫(Rashid Sunyaev)教授。他是一位身材胖胖的和善老人,热情开朗,十分健谈。在从机场前往宾馆的途中,拉希德几乎就没有停止过讲话,从路边的建筑到北京的房价,他似乎对一切都充满了好奇。彼时,这位俄罗斯天体物理学家受中国科学院“爱因斯坦讲席教授”计划的邀请来中国进行讲学。而我有幸担任了拉希德教授来访期间的助理,陪他进行了一段奇妙的旅程。

拉希德有一串长长的荣誉头衔:马普天体物理研究所所长兼学术委员、俄罗斯科学院空间研究所首席科学家、普林斯顿高等研究院“莫琳和约翰·亨德里克斯”客座教授……就在几个月前,他还获得了具有“诺奖风向标”之称的引文桂冠奖,理由是“在帮助人类认识宇宙起源、星系形成过程、黑洞吸积盘以及其它宇宙现象方面做出了巨大的贡献”。

对于天体物理学界来说,更为熟悉的是冠以其名的两项重要成果:苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel'dovich effect,简称SZ效应)和沙库拉-苏尼阿耶夫盘(Shakura-Sunyaev disc)。

我的老师 胸前佩戴着三枚奖章

20世纪60年代初,贝尔实验室的两位无线电工程师在摆弄他们的喇叭形天线时,偶然间看到一种无论如何也去不掉的“噪声”——宇宙微波背景辐射(CMB)。这一自宇宙早期遗留下来的辐射为流行一时的“稳恒态理论”(该理论认为宇宙中不断有新物质产生,从而使得物质密度即便在时空增长时也保持恒定)画上了句号,从此,“大爆炸”的概念开始深入人心。1978年,这两位工程师,阿尔诺•彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特•威尔逊(Robert Wilson)凭借对CMB的探测摘得诺贝尔物理学奖。

 同一时期的苏联,一位名叫雅科夫•泽尔多维奇(Yakov Zel'dovich)的物理学家也在研究CMB。他和他的学生,拉希德·苏尼阿耶夫(Rashid Sunyaev)认为,来自CMB的部分光子在途径星系团时,会与其中的成分相互作用,于是当人们进行测量的方向上有星系团时,CMB的低能光子减少而高能光子则会增加,这种现象被称为苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(即SZ效应)。

 SZ效应为人类探索早期宇宙提供了一枚重要的探针,能够帮助我们深入了解大尺度结构的性质、进行宇宙学参数的估计以及研究暗物质和暗能量等问题。然而在很长一段时间内,这项工作并未得到广泛认可,直到观测上的证据出现,方才扭转了这一状况。

回顾这段历史时,苏尼阿耶夫总是会提到他在导师口述论文第一页的内容后当晚就写完了整篇论文的事,这强悍的战斗力离不开导师的催促。苏尼阿耶夫还经常说起第一次面见泽尔多维奇的经历,“我感到战战兢兢”,他边说边站直身体并把头压向胸口(像犯错的孩子一样)去模仿当时的情形,“他是一个非常厉害的人,胸前戴着三枚劳动奖章”。

雅科夫•泽尔多维奇,胸前佩戴着三枚“社会主义劳动英雄”奖章,获此殊荣的人在苏联历史上还不到20个。图片来源:Wikepedia

“卡冈图雅”之光

苏尼阿耶夫的另一项重要研究成果,沙库拉-苏尼阿耶夫盘也被称为“标准吸积盘”,来源于于1973年苏尼阿耶夫和尼古拉·沙库拉(Nikolai Shakura)合作发表的文章,是目前应用最为广泛的吸积盘模型

其实吸积盘并不像它的名字听起来那样陌生,还记得《星际穿越》里著名的黑洞“卡冈图雅”吗?在它的周围环绕着的那个明亮的盘状结构就是吸积盘。

上世纪60年代,随着类星体的发现,人们意识到热核反应无法解释这类新天体的高光度,它们的能量来源只能解释为物质被致密天体(如黑洞)通过引力俘获的过程中释放的引力能——在极端条件下,这种被称为吸积(accretion)的过程释放能量的效率,甚至远高于物质经核聚变反应的释能效率。

那么如何实现吸积这种过程呢?

当物质沿着开普勒圆轨道围绕黑洞运转时,如果没有引力以外的其它作用力,这些物质会绕着黑洞这么一直转下去而不会下落。但由于物质在做开普勒运动时在不同半径处的转速不同,同时物质间存在粘滞作用,于是距黑洞更近的物质被远处的物质拖拽,将角动量转移出去,使得黑洞引力大于离心力,物质会向黑洞内落去,并释放出其携带的引力能,其中部分引力能最终转变为辐射。

这一过程中,角动量转移是吸积得以进行的关键,而粘滞又是角动量转移的关键,粘滞的可能来源并不唯一。由于当时对粘滞机制了解得还不是很清楚,沙库拉和苏尼阿耶夫回避了具体的粘滞过程,大胆的引入一个α参数来描述粘滞,这就是著名的α粘滞率。至此,他们很快就构建出标准吸积盘模型,并用它成功解释了很多观测现象。

不一样的拉希德教授

作为一名天体物理专业的科研工作者,对于拉希德·苏尼阿耶夫和他的研究自然是耳熟能详。而三年前的那次近距离接触,让我了解了这位老人教科书之外的另一面。

好奇心旺盛的博物馆控

我发现,老爷子特别喜欢逛博物馆。

访问北京的那几天里,在各种讨论和报告间歇,拉希德的参观重点就是国家博物馆。他说这是他从小就养成的爱好,延续多年,迄今为止已经去过不少世界著名博物馆。不过他的国博之行对我来说可算是一种“折磨”——我的英语在博物馆场景下完全不够用了。好在现场的志愿者们帮忙,才勉强扛住了他的提问。

 就在离开北京的那天上午,他请求我再带他去国博看一看。这一次我们又逛了大半天,还因此错过了午餐,不过按照他的说法是“精神食粮远比吃饭更重要”。我想,这些特质或许就是他在学术上取得巨大成就的原因所在。

偶遇美国高中生

在离开北京之后,我们的下一个目的地是古城西安,去参加一场关于星系宇宙学的国际会议。值得一提的是,在前往咸阳机场的航班上碰到了一群来华游学的美国高中生;几天后,我们就会在西安街头与之重逢,并发生了一次有趣的对话。也让我见识到拉希德颇为“nerd”的一面。

这天饭后,我们正在某处繁华地段闲逛,一个胖乎乎的小姑娘跑过来热情地和我们打招呼,而我们也认出她是那支美国游学团队中的一员。在得知她们来自巴尔的摩后,拉希德话锋一转,开始兴致勃勃地谈起位于这座城市的约翰·霍普金斯大学,并极力推荐她们参观那里的哈勃望远镜控制室。这些话题显然不是很受女孩子们的欢迎,她们赶紧找了个借口逃之夭夭。

虎跳峡的湍流

我陪同拉希德的最后一站是访问云南丽江的天文台高美古观测站。其间,我们还抽时间去看了虎跳峡。不得不说,在这海拔颇高的地区,我们几个年轻人的劲头还不如一位七十多岁的老人。

 

苏尼阿耶夫在虎跳峡,图片来源:作者

站在峡谷边的围栏前,上临险峻挺拔的雪山,下观波涛汹涌的大江,听着如虎啸般的水石相击之声,拉希德显得非常激动。他透过震耳欲聋的轰鸣向我大喊,“看!多么神奇啊,是湍流!”湍流的概念不仅仅局限于我们身边的江河湖海之间,它在天体物理领域也有着广泛的应用,而沙库拉-苏尼阿耶夫盘中的粘滞很可能就是湍流造成的。随后,他请我帮忙把这一场景录下来,打算作为素材给学生们演示“湍流”。(编辑:婉珺)

显示所有评论

全部评论(8)
  • 1楼
    2018-02-12 11:51 天降龙虾
    引用文章内容:这些话题显然不是很受女孩子们的欢迎,她们赶紧找了个借口逃之夭夭。

    男孩子们哪儿去了???

    [0] 评论
  • 2楼
    2018-02-12 11:55 大头米少

    这种状态还真让人羡慕

    [0] 评论
  • 3楼
    2018-02-12 12:03 SL-血冥

    问:

    引力能是什么?势能?还是和势能有区别?

    [0] 评论
  • 4楼
    2018-02-12 12:05 5美金

    吸干毛熊

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-02-12 12:29 地球上的裸猿

    苏联人的姓氏也是颇为有趣,什么斯基、维奇、耶夫、诺夫的。
    貌似有看到过,中东那边的姓名加起来,有七八个前缀的。。。

    [0] 评论
  • 6楼
    2018-02-12 19:11 汉尼拔wang

    我想去各国看博物馆~

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-02-14 14:24 浩瀚无涯
    引用@地球上的裸猿 的话:苏联人的姓氏也是颇为有趣,什么斯基、维奇、耶夫、诺夫的。貌似有看到过,中东那边的姓名加起来,有七八个前缀的。。。

    Räşit Ğali ulı Sönäyef 这位科学家是鞑靼人

    [0] 评论
  • 8楼
    2018-02-17 09:41 GX1D

    多么优秀的人啊,想成为这样的老爷子23333

    [0] 评论

显示所有评论

你的评论

登录 发表评论

兮伯青德
兮伯青德 中科院高能所博士

更多科研事,扫码早知道

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©果壳网    京ICP证100430号    京网文[2015] 0609-239号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:18612934101    网上有害信息举报专区    儿童色情信息举报专区