每經(jing)記者｜王嘉琦(qi)  蘭素英    每經(jing)編輯｜高涵    

黑洞是宇宙中引力最強、物理環(huan)境最極端(duan)的天體，也(ye)是驗證愛因斯坦廣義(yi)相對論(lun)的理想(xiang)實(shi)驗室。

圍(wei)繞這一神秘天體(ti)，黑(hei)洞專家、復旦大學(xue)教授卡西莫?班比（Cosimo Bambi）近(jin)日提出(chu)了一個近(jin)乎瘋狂的設想(xiang)：打造一艘重約2克(ke)的納米飛行器，去黑(hei)洞身邊“摸底(di)”。這一設想(xiang)已經通過論文形式發表于頂級(ji)學(xue)術出(chu)版機(ji)構(gou)Cell旗下刊物《iScience》。

談及這項可能耗時100年的大膽設想，班比在接受《每日經濟新聞》記者（以下簡稱“每經記者”）采訪時表示，盡管未來的望遠鏡或引力波探測器有可能進行極為精確的天體觀測，但如果沒有先進的理論模型，高質量觀測難以發揮其科學價值。“一個距離較近、孤立存在的黑洞有可能成為一個相對‘干凈’的觀測對象，我們可以像過去60年在太陽系中所做的那樣，對廣義相對論進行精確的檢驗。”

不(bu)過(guo)，真正要將(jiang)這一宏大(da)的星際探索計劃(hua)付諸實施，還(huan)需要跨越多道門檻(jian)。

據(ju)班比介(jie)紹，如果按當前技(ji)術和價格來建造飛行器，僅激光(guang)陣(zhen)列(lie)一(yi)項(xiang)，耗(hao)資(zi)將達到約1萬億(yi)美(mei)元，不過未來有望降低到10億(yi)美(mei)元。同時，要(yao)在(zai)距離地(di)球(qiu)20至25光(guang)年(nian)范圍內鎖定一(yi)顆(ke)目標黑洞也是一(yi)大核心挑戰。 

卡西莫?班比教授 圖片(pian)來源(yuan)：復旦大(da)學網站(zhan)

為什么要飛躍黑洞？

當被問及為何(he)需要這樣的(de)(de)星際探(tan)險時，班比教(jiao)授對每經記者解(jie)釋說，黑(hei)洞(dong)是(shi)當今宇宙中引(yin)力場最強的(de)(de)天體，是(shi)檢驗愛因斯(si)坦廣義相(xiang)對論(lun)在最極端條件下是(shi)否成立的(de)(de)理想實驗室(shi)。

廣義相對論是目前描述引力相互作用和時空結構的框架。幾十年來，這一理論在所謂的弱場極限（指引力場較弱的場景）下得到了廣泛的驗證。物理學界普遍認為，真實的黑洞結構，與廣義相對論的預測有所不同。根據廣義相對論，黑洞應該是(shi)“空(kong)的”，其中(zhong)心存在一個密度(du)無限大(da)的“奇(qi)點”。“要解開這個謎團，我(wo)們就必須去實地(di)探測(ce)，向(xiang)距(ju)離最近的黑洞發送探測(ce)器，直接測(ce)量其周圍的引力場(chang)，并(bing)檢驗(yan)其是(shi)否與廣義相對論的預測(ce)相符(fu)。”班比說。 

首(shou)張黑洞(dong)圖像 圖片來源：事(shi)件視界望(wang)遠鏡(jing)合(he)作組織

或許有人會(hui)問：為什么(me)不能用更強大的望遠鏡或引力波(bo)探測(ce)器來(lai)研究？為什么(me)要發射探測(ce)器？ 

班比教授對每經記者解釋道：“未來這些設備有可能進行極為精確的天體觀測，但如果缺乏足夠先進的理論模型去解釋數據，這些高質量觀測也難以發揮其科學價值，尤其是我們并不清楚黑洞周圍的具體環境。換句話說，我們可能會得到極其精確，卻來自‘骯臟’系統的數據。相比之下，一個距離較近、孤立存在的黑洞則有可能成為一個相對‘干凈’的觀測對象，我們可以像過去60年在太陽系中所做的那樣，對廣義相對論進行精確的檢驗。” 

2克重飛船“闖”黑洞：整個探索或耗時100年  

要抵(di)達幾十光年外的黑洞(dong)，傳統(tong)依(yi)靠化學燃(ran)料的火箭飛船顯然(ran)力(li)不(bu)從心(xin)：它們(men)太慢，也太重(zhong)了。 

班(ban)比教授提(ti)出的方(fang)案是制造一種被(bei)稱(cheng)為(wei)納米飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器的微型航天器。 他強調，納米飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器和激光推進(jin)(jin)的概念并不新鮮(xian)。早(zao)(zao)在20世紀60年代，人們就開(kai)始討(tao)論激光推進(jin)(jin)的可(ke)(ke)能性。系(xi)外行(xing)(xing)(xing)星研(yan)究(jiu)領域早(zao)(zao)已討(tao)論過發射納米飛(fei)行(xing)(xing)(xing)器探(tan)索鄰近(jin)恒星系(xi)統行(xing)(xing)(xing)星的可(ke)(ke)行(xing)(xing)(xing)性。

納米飛(fei)行(xing)器結構 圖片(pian)來源：班比發布(bu)的論文

他對每經記者介紹稱，納米飛行器主要由兩部分構成：一個重量僅約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），總重量相當于兩枚回形針。

飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)的(de)動(dong)力來自地面(mian)強大的(de)激光(guang)束，通過將(jiang)激光(guang)束精準射(she)向飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)的(de)光(guang)帆，其產生的(de)輻射(she)壓力會像風(feng)推動(dong)帆船一(yi)樣，讓(rang)飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)的(de)速度在大約17分(fen)鐘內達到光(guang)速的(de)三分(fen)之(zhi)一(yi)。之(zhi)后，飛(fei)行(xing)(xing)器(qi)將(jiang)開(kai)始星際(ji)漫游，最(zui)終抵達黑洞附近(jin)。 

按照設想，納米飛行器可在60至75年內抵達20至25光年外的黑洞，其收集的數據則要再過約20至25年才能傳回地球。也就是說，整個星際探索的任務將持續約80至100年。 

萬億美元項目未來30年內有望降至10億美元 

這(zhe)一(yi)計劃雖然在理論上可行，但(dan)也面臨著多(duo)重挑戰。 

首當其沖的是成本難題。班比教授向每經記者坦言，這項任務最“燒錢”的部分是用于加速納米飛行器的地面激光陣列。按當前的技術和造價，僅這一項就需要耗資約1萬億美元，無(wu)疑(yi)是目前難(nan)以承受的天價。 

不過，技術的迭代帶來了希望。班比教授根據過去20年激光技術成本的下降趨勢推算，未來20到30年內，激光陣列成本有望降至10億美元左右，與當(dang)今(jin)大型太空任務的預算相當(dang)。

屆時，人類(lei)或已掌握在合理(li)預(yu)算內推(tui)進任務的必要技術。 

除了成本，納米飛行器自身的可靠性同樣是成敗關鍵。它必須能在數十年星際航行中存活，精準抵達目標位置，同時具備導航和通信能力，以及在黑洞附近完成實驗的全套功能(neng)，并且能(neng)將收集到的科學數據成功傳輸(shu)回地球(qiu)。 

另一大核心挑戰是目標黑洞的精確定位。 

即便納米飛行器的速度能達到光速的三分之一，要讓任務在百年內完成，目標黑洞最好距離地球不超過20至25光年。班比表示(shi)，“目前尚不清楚這個距離(li)范(fan)圍(wei)內是否存(cun)在(zai)黑洞。迄今為(wei)止，天(tian)文學家發現的(de)距離(li)地(di)球最近的(de)黑洞為(wei)‘蓋亞-BH1’（Gaia-BH1），遠在(zai)1560光年(nian)之外。”

距(ju)離地球(qiu)25光年內的(de)恒(heng)星(xing)和系(xi)外(wai)行(xing)星(xing) 圖片(pian)來源：班比發布(bu)的(de)論文

尋(xun)找(zhao)未(wei)知黑洞(dong)的難度(du)極大，因為(wei)黑洞(dong)既不發(fa)光(guang)也不反光(guang)，對望(wang)遠鏡來(lai)說幾乎不可見，這(zhe)如同在黑夜里(li)找(zhao)一塊黑布，科(ke)學(xue)家只(zhi)能(neng)通過(guo)其對鄰近恒星和(he)光(guang)線的影響來(lai)推(tui)斷。不僅如此，它們(men)很容易被誤認為(wei)是其他暗淡(dan)的光(guang)源(yuan)。 

對此，班比倒是比較樂觀。“未來5到10年，我們將得到明確的結論：要么(me)在距離地球20到25光年內發現黑洞，要么(me)確認這一范圍內不存在黑洞。” 

到了黑洞，我們究竟要測什么？ 

假設我(wo)們找(zhao)到了目標，也等到了技術成熟的那(nei)一(yi)天，探(tan)測(ce)器將如何展(zhan)開工作？ 

班比(bi)教授對每經記者如(ru)此描(miao)述：當接近目標黑洞時，納米飛行器會調整軌跡，從非束縛軌道轉移到束縛軌道，盡可能地靠近目的地，為科學實驗做好準備。繞黑洞飛行時，飛行器會分離成一艘母艦（mothership）和多個小型探測器（tiny probes）。只要母艦能夠與小型探測器通過交換電磁信號進行通信，科學家就能繪制黑洞周圍的引力場結構圖。 

而(er)最(zui)終的結構(gou)圖可能將直接回(hui)答物(wu)理學中一些最(zui)根本的問(wen)題：

黑洞是否真的存(cun)在一個連(lian)光都無法逃脫(tuo)的“事件視界”？

黑(hei)洞附近的(de)物理規律是否會(hui)發生變化(hua)？

在宇宙最極(ji)端的條件下(xia)，愛因斯坦的廣義相對論(lun)是否依然成(cheng)立？