每經記者｜王嘉琦  蘭素英    每經編輯｜高涵    

黑洞是宇宙中引力最強、物理環境最極端的天體，也是驗證愛因斯坦廣義相對論的理想實驗室。

圍繞這一神秘天體，黑洞專家、復旦大學教授卡西莫?班比（Cosimo Bambi）近日提出了一個近乎瘋狂的設想：打造一艘重約2克的納米飛行器，去黑洞身邊“摸底”。這一設想已經通過論文形式發表于頂級學術出版機構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。”

不過，真正要將這一宏大的星際探索計劃付諸實施，還需要跨越多道門檻。

據班比介紹，如果按當前技術和價格來建造飛行器，僅激光陣列一項，耗資將達到約1萬億美元，不過未來有望降低到10億美元。同時，要在距離地球20至25光年范圍內鎖定一顆目標黑洞也是一大核心挑戰。 

卡西莫?班比教授 圖片來源：復旦大學網站

為什么要飛躍黑洞？

當被問及為何需要這樣的星際探險時，班比教授對每經記者解釋說，黑洞是當今宇宙中引力場最強的天體，是檢驗愛因斯坦廣義相對論在最極端條件下是否成立的理想實驗室。

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“空的”，其中心存在一個密度無限大的“奇點”。“要解開這個謎團，我們就必須去實地探測，向距離最近的黑洞發送探測器，直接測量其周圍的引力場，并檢驗其是否與廣義相對論的預測相符。”班比說。 

首張黑洞圖像 圖片來源：事件視界望遠鏡合作組織

或許有人會問：為什么不能用更強大的望遠鏡或引力波探測器來研究？為什么要發射探測器？ 

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  

要抵達幾十光年外的黑洞，傳統依靠化學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。 他強調，納米飛行器和激光推進的概念并不新鮮。早在20世紀60年代，人們就開始討論激光推進的可能性。系外行星研究領域早已討論過發射納米飛行器探索鄰近恒星系統行星的可行性。

納米飛行器結構 圖片來源：班比發布的論文

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。

飛行器的動力來自地面強大的激光束，通過將激光束精準射向飛行器的光帆，其產生的輻射壓力會像風推動帆船一樣，讓飛行器的速度在大約17分鐘內達到光速的三分之一。之后，飛行器將開始星際漫游，最終抵達黑洞附近。 

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 

這一計劃雖然在理論上可行，但也面臨著多重挑戰。 

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，無疑是目前難以承受的天價。 

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，與當今大型太空任務的預算相當。

屆時，人類或已掌握在合理預算內推進任務的必要技術。 

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，并且能將收集到的科學數據成功傳輸回地球。 

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，“目前尚不清楚這個距離范圍內是否存在黑洞。迄今為止，天文學家發現的距離地球最近的黑洞為‘蓋亞-BH1’（Gaia-BH1），遠在1560光年之外。”

距離地球25光年內的恒星和系外行星 圖片來源：班比發布的論文

尋找未知黑洞的難度極大，因為黑洞既不發光也不反光，對望遠鏡來說幾乎不可見，這如同在黑夜里找一塊黑布，科學家只能通過其對鄰近恒星和光線的影響來推斷。不僅如此，它們很容易被誤認為是其他暗淡的光源。 

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：要么在距離地球20到25光年內發現黑洞，要么確認這一范圍內不存在黑洞。” 

到了黑洞，我們究竟要測什么？ 

假設我們找到了目標，也等到了技術成熟的那一天，探測器將如何展開工作？ 

班比教授對每經記者如此描述：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。 

而最終的結構圖可能將直接回答物理學中一些最根本的問題：

黑洞是否真的存在一個連光都無法逃脫的“事件視界”？

黑洞附近的物理規律是否會發生變化？

在宇宙最極端的條件下，愛因斯坦的廣義相對論是否依然成立？