每經(jīng)記者｜王嘉琦  蘭素英    每經(jīng)編輯｜高涵    

黑洞是宇宙中引力最強(qiáng)、物理環(huán)境最極端的天體，也是驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論的理想實(shí)驗(yàn)室。

圍繞這一神秘天體，黑洞專家、復(fù)旦大學(xué)教授卡西莫?班比（Cosimo Bambi）近日提出了一個(gè)近乎瘋狂的設(shè)想：打造一艘重約2克的納米飛行器，去黑洞身邊“摸底”。這一設(shè)想已經(jīng)通過論文形式發(fā)表于頂級(jí)學(xué)術(shù)出版機(jī)構(gòu)Cell旗下刊物《iScience》。

談及這項(xiàng)可能耗時(shí)100年的大膽設(shè)想，班比在接受《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者（以下簡(jiǎn)稱“每經(jīng)記者”）采訪時(shí)表示，盡管未來的望遠(yuǎn)鏡或引力波探測(cè)器有可能進(jìn)行極為精確的天體觀測(cè)，但如果沒有先進(jìn)的理論模型，高質(zhì)量觀測(cè)難以發(fā)揮其科學(xué)價(jià)值?！?strong>一個(gè)距離較近、孤立存在的黑洞有可能成為一個(gè)相對(duì)‘干凈’的觀測(cè)對(duì)象，我們可以像過去60年在太陽(yáng)系中所做的那樣，對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行精確的檢驗(yàn)。”

不過，真正要將這一宏大的星際探索計(jì)劃付諸實(shí)施，還需要跨越多道門檻。

據(jù)班比介紹，如果按當(dāng)前技術(shù)和價(jià)格來建造飛行器，僅激光陣列一項(xiàng)，耗資將達(dá)到約1萬億美元，不過未來有望降低到10億美元。同時(shí)，要在距離地球20至25光年范圍內(nèi)鎖定一顆目標(biāo)黑洞也是一大核心挑戰(zhàn)。 

卡西莫?班比教授 圖片來源：復(fù)旦大學(xué)網(wǎng)站

為什么要飛躍黑洞？

當(dāng)被問及為何需要這樣的星際探險(xiǎn)時(shí)，班比教授對(duì)每經(jīng)記者解釋說，黑洞是當(dāng)今宇宙中引力場(chǎng)最強(qiáng)的天體，是檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論在最極端條件下是否成立的理想實(shí)驗(yàn)室。

廣義相對(duì)論是目前描述引力相互作用和時(shí)空結(jié)構(gòu)的框架。幾十年來，這一理論在所謂的弱場(chǎng)極限（指引力場(chǎng)較弱的場(chǎng)景）下得到了廣泛的驗(yàn)證。物理學(xué)界普遍認(rèn)為，真實(shí)的黑洞結(jié)構(gòu)，與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)有所不同。根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞應(yīng)該是“空的”，其中心存在一個(gè)密度無限大的“奇點(diǎn)”?！耙忾_這個(gè)謎團(tuán)，我們就必須去實(shí)地探測(cè)，向距離最近的黑洞發(fā)送探測(cè)器，直接測(cè)量其周圍的引力場(chǎng)，并檢驗(yàn)其是否與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)相符?！卑啾日f。 

首張黑洞圖像 圖片來源：事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織

或許有人會(huì)問：為什么不能用更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡或引力波探測(cè)器來研究？為什么要發(fā)射探測(cè)器？ 

班比教授對(duì)每經(jīng)記者解釋道：“未來這些設(shè)備有可能進(jìn)行極為精確的天體觀測(cè)，但如果缺乏足夠先進(jìn)的理論模型去解釋數(shù)據(jù)，這些高質(zhì)量觀測(cè)也難以發(fā)揮其科學(xué)價(jià)值，尤其是我們并不清楚黑洞周圍的具體環(huán)境。換句話說，我們可能會(huì)得到極其精確，卻來自‘骯臟’系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。相比之下，一個(gè)距離較近、孤立存在的黑洞則有可能成為一個(gè)相對(duì)‘干凈’的觀測(cè)對(duì)象，我們可以像過去60年在太陽(yáng)系中所做的那樣，對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行精確的檢驗(yàn)。” 

2克重飛船“闖”黑洞：整個(gè)探索或耗時(shí)100年  

要抵達(dá)幾十光年外的黑洞，傳統(tǒng)依靠化學(xué)燃料的火箭飛船顯然力不從心：它們太慢，也太重了。 

班比教授提出的方案是制造一種被稱為納米飛行器的微型航天器。 他強(qiáng)調(diào)，納米飛行器和激光推進(jìn)的概念并不新鮮。早在20世紀(jì)60年代，人們就開始討論激光推進(jìn)的可能性。系外行星研究領(lǐng)域早已討論過發(fā)射納米飛行器探索鄰近恒星系統(tǒng)行星的可行性。

納米飛行器結(jié)構(gòu) 圖片來源：班比發(fā)布的論文

他對(duì)每經(jīng)記者介紹稱，納米飛行器主要由兩部分構(gòu)成：一個(gè)重量?jī)H約1克、尺寸約1厘米的晶片，以及一面面積約10平方米、重量也僅有1克的光帆（sail），總重量相當(dāng)于兩枚回形針。

飛行器的動(dòng)力來自地面強(qiáng)大的激光束，通過將激光束精準(zhǔn)射向飛行器的光帆，其產(chǎn)生的輻射壓力會(huì)像風(fēng)推動(dòng)帆船一樣，讓飛行器的速度在大約17分鐘內(nèi)達(dá)到光速的三分之一。之后，飛行器將開始星際漫游，最終抵達(dá)黑洞附近。 

按照設(shè)想，納米飛行器可在60至75年內(nèi)抵達(dá)20至25光年外的黑洞，其收集的數(shù)據(jù)則要再過約20至25年才能傳回地球。也就是說，整個(gè)星際探索的任務(wù)將持續(xù)約80至100年。 

萬億美元項(xiàng)目未來30年內(nèi)有望降至10億美元 

這一計(jì)劃雖然在理論上可行，但也面臨著多重挑戰(zhàn)。 

首當(dāng)其沖的是成本難題。班比教授向每經(jīng)記者坦言，這項(xiàng)任務(wù)最“燒錢”的部分是用于加速納米飛行器的地面激光陣列。按當(dāng)前的技術(shù)和造價(jià)，僅這一項(xiàng)就需要耗資約1萬億美元，無疑是目前難以承受的天價(jià)。 

不過，技術(shù)的迭代帶來了希望。班比教授根據(jù)過去20年激光技術(shù)成本的下降趨勢(shì)推算，未來20到30年內(nèi)，激光陣列成本有望降至10億美元左右，與當(dāng)今大型太空任務(wù)的預(yù)算相當(dāng)。

屆時(shí)，人類或已掌握在合理預(yù)算內(nèi)推進(jìn)任務(wù)的必要技術(shù)。 

除了成本，納米飛行器自身的可靠性同樣是成敗關(guān)鍵。它必須能在數(shù)十年星際航行中存活，精準(zhǔn)抵達(dá)目標(biāo)位置，同時(shí)具備導(dǎo)航和通信能力，以及在黑洞附近完成實(shí)驗(yàn)的全套功能，并且能將收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)成功傳輸回地球。 

另一大核心挑戰(zhàn)是目標(biāo)黑洞的精確定位。 

即便納米飛行器的速度能達(dá)到光速的三分之一，要讓任務(wù)在百年內(nèi)完成，目標(biāo)黑洞最好距離地球不超過20至25光年。班比表示，“目前尚不清楚這個(gè)距離范圍內(nèi)是否存在黑洞。迄今為止，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的距離地球最近的黑洞為‘蓋亞-BH1’（Gaia-BH1），遠(yuǎn)在1560光年之外?！?/p>

距離地球25光年內(nèi)的恒星和系外行星 圖片來源：班比發(fā)布的論文

尋找未知黑洞的難度極大，因?yàn)楹诙醇炔话l(fā)光也不反光，對(duì)望遠(yuǎn)鏡來說幾乎不可見，這如同在黑夜里找一塊黑布，科學(xué)家只能通過其對(duì)鄰近恒星和光線的影響來推斷。不僅如此，它們很容易被誤認(rèn)為是其他暗淡的光源。 

對(duì)此，班比倒是比較樂觀?！?strong>未來5到10年，我們將得到明確的結(jié)論：要么在距離地球20到25光年內(nèi)發(fā)現(xiàn)黑洞，要么確認(rèn)這一范圍內(nèi)不存在黑洞。” 

到了黑洞，我們究竟要測(cè)什么？ 

假設(shè)我們找到了目標(biāo)，也等到了技術(shù)成熟的那一天，探測(cè)器將如何展開工作？ 

班比教授對(duì)每經(jīng)記者如此描述：當(dāng)接近目標(biāo)黑洞時(shí)，納米飛行器會(huì)調(diào)整軌跡，從非束縛軌道轉(zhuǎn)移到束縛軌道，盡可能地靠近目的地，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。繞黑洞飛行時(shí)，飛行器會(huì)分離成一艘母艦（mothership）和多個(gè)小型探測(cè)器（tiny probes）。只要母艦?zāi)軌蚺c小型探測(cè)器通過交換電磁信號(hào)進(jìn)行通信，科學(xué)家就能繪制黑洞周圍的引力場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖。 

而最終的結(jié)構(gòu)圖可能將直接回答物理學(xué)中一些最根本的問題：

黑洞是否真的存在一個(gè)連光都無法逃脫的“事件視界”？

黑洞附近的物理規(guī)律是否會(huì)發(fā)生變化？

在宇宙最極端的條件下，愛因斯坦的廣義相對(duì)論是否依然成立？