每经记者：王嘉琦 兰素英 每经编辑：高涵
黑洞是宇宙中引力最强、物理环境最极端的天体，也是验证爱因斯坦广义相对论的理想实验室。
围绕这一神秘天体，黑洞专家、复旦大学教授卡西莫•班比（Cosimo Bambi）近日提出了一个近乎疯狂的设想：打造一艘重约2克的纳米飞行器，去黑洞身边“摸底”。这一设想已经通过论文形式发表于顶级学术出版机构Cell旗下刊物《iScience》。
谈及这项可能耗时100年的大胆设想，班比在接受《每日经济新闻》记者（以下简称“每经记者”）采访时表示，尽管未来的望远镜或引力波探测器有可能进行极为精确的天体观测，但如果没有先进的理论模型，高质量观测难以发挥其科学价值。“一个距离较近、孤立存在的黑洞有可能成为一个相对‘干净’的观测对象，我们可以像过去60年在太阳系中所做的那样，对广义相对论进行精确的检验。”
不过，真正要将这一宏大的星际探索计划付诸实施，还需要跨越多道门槛。
据班比介绍，如果按当前技术和价格来建造飞行器，仅激光阵列一项，耗资将达到约1万亿美元，不过未来有望降低到10亿美元。同时，要在距离地球20至25光年范围内锁定一颗目标黑洞也是一大核心挑战。
卡西莫•班比教授 图片来源：复旦大学网站
为什么要飞跃黑洞？
当被问及为何需要这样的星际探险时，班比教授对每经记者解释说，黑洞是当今宇宙中引力场最强的天体，是检验爱因斯坦广义相对论在最极端条件下是否成立的理想实验室。
广义相对论是目前描述引力相互作用和时空结构的框架。几十年来，这一理论在所谓的弱场极限（指引力场较弱的场景）下得到了广泛的验证。物理学界普遍认为，真实的黑洞结构，与广义相对论的预测有所不同。根据广义相对论，黑洞应该是“空的”，其中心存在一个密度无限大的“奇点”。“要解开这个谜团，我们就必须去实地探测，向距离最近的黑洞发送探测器，直接测量其周围的引力场，并检验其是否与广义相对论的预测相符。”班比说。
首张黑洞图像 图片来源：事件视界望远镜合作组织
或许有人会问：为什么不能用更强大的望远镜或引力波探测器来研究？为什么要发射探测器？
班比教授对每经记者解释道：“未来这些设备有可能进行极为精确的天体观测，但如果缺乏足够先进的理论模型去解释数据，这些高质量观测也难以发挥其科学价值，尤其是我们并不清楚黑洞周围的具体环境。换句话说，我们可能会得到极其精确，却来自‘肮脏’系统的数据。相比之下，一个距离较近、孤立存在的黑洞则有可能成为一个相对‘干净’的观测对象，我们可以像过去60年在太阳系中所做的那样，对广义相对论进行精确的检验。”
2克重飞船“闯”黑洞：整个探索或耗时100年
要抵达几十光年外的黑洞，传统依靠化学燃料的火箭飞船显然力不从心：它们太慢，也太重了。
班比教授提出的方案是制造一种被称为纳米飞行器的微型航天器。 他强调，纳米飞行器和激光推进的概念并不新鲜。早在20世纪60年代，人们就开始讨论激光推进的可能性。系外行星研究领域早已讨论过发射纳米飞行器探索邻近恒星系统行星的可行性。
纳米飞行器结构 图片来源：班比发布的论文
他对每经记者介绍称，纳米飞行器主要由两部分构成：一个重量仅约1克、尺寸约1厘米的晶片，以及一面面积约10平方米、重量也仅有1克的光帆（sail），总重量相当于两枚回形针。
飞行器的动力来自地面强大的激光束，通过将激光束精准射向飞行器的光帆，其产生的辐射压力会像风推动帆船一样，让飞行器的速度在大约17分钟内达到光速的三分之一。之后，飞行器将开始星际漫游，最终抵达黑洞附近。
按照设想，纳米飞行器可在60至75年内抵达20至25光年外的黑洞，其收集的数据则要再过约20至25年才能传回地球。也就是说，整个星际探索的任务将持续约80至100年。
万亿美元项目未来30年内有望降至10亿美元
这一计划虽然在理论上可行，但也面临着多重挑战。
首当其冲的是成本难题。班比教授向每经记者坦言，这项任务最“烧钱”的部分是用于加速纳米飞行器的地面激光阵列。按当前的技术和造价，仅这一项就需要耗资约1万亿美元，无疑是目前难以承受的天价。
不过，技术的迭代带来了希望。班比教授根据过去20年激光技术成本的下降趋势推算，未来20到30年内，激光阵列成本有望降至10亿美元左右，与当今大型太空任务的预算相当。
届时，人类或已掌握在合理预算内推进任务的必要技术。
除了成本，纳米飞行器自身的可靠性同样是成败关键。它必须能在数十年星际航行中存活，精准抵达目标位置，同时具备导航和通信能力，以及在黑洞附近完成实验的全套功能，并且能将收集到的科学数据成功传输回地球。
另一大核心挑战是目标黑洞的精确定位。
即便纳米飞行器的速度能达到光速的三分之一，要让任务在百年内完成，目标黑洞最好距离地球不超过20至25光年。班比表示，“目前尚不清楚这个距离范围内是否存在黑洞。迄今为止，天文学家发现的距离地球最近的黑洞为‘盖亚-BH1’（Gaia-BH1），远在1560光年之外。”
距离地球25光年内的恒星和系外行星 图片来源：班比发布的论文
寻找未知黑洞的难度极大，因为黑洞既不发光也不反光，对望远镜来说几乎不可见，这如同在黑夜里找一块黑布，科学家只能通过其对邻近恒星和光线的影响来推断。不仅如此，它们很容易被误认为是其他暗淡的光源。
对此，班比倒是比较乐观。“未来5到10年，我们将得到明确的结论：要么在距离地球20到25光年内发现黑洞，要么确认这一范围内不存在黑洞。”
到了黑洞，我们究竟要测什么？
假设我们找到了目标，也等到了技术成熟的那一天，探测器将如何展开工作？
班比教授对每经记者如此描述：当接近目标黑洞时，纳米飞行器会调整轨迹，从非束缚轨道转移到束缚轨道，尽可能地靠近目的地，为科学实验做好准备。绕黑洞飞行时，飞行器会分离成一艘母舰（mothership）和多个小型探测器（tiny probes）。只要母舰能够与小型探测器通过交换电磁信号进行通信，科学家就能绘制黑洞周围的引力场结构图。
而最终的结构图可能将直接回答物理学中一些最根本的问题：
黑洞是否真的存在一个连光都无法逃脱的“事件视界”？
黑洞附近的物理规律是否会发生变化？
在宇宙最极端的条件下，爱因斯坦的广义相对论是否依然成立？
