北京時間 10 月 6 日消息，2020 年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉：一半授予 Roger Penrose，獲獎原因 “發(fā)現(xiàn)廣義相對論預(yù)測了黑洞的形成”；另一半授予 Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez，獲獎原因 “發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大致密物體”。三位物理學(xué)家分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎，他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中最奇異的現(xiàn)象之一——黑洞。
黑洞和銀河系最黑暗的秘密
三位科學(xué)家因為他們對宇宙中最奇特現(xiàn)象之一——黑洞的研究，而共享今年的諾貝爾物理學(xué)獎。Roger Penrose 發(fā)明了巧妙的數(shù)學(xué)方法，來探索愛因斯坦的廣義相對論。他的研究揭示了廣義相對論如何預(yù)測了黑洞的形成。這些時空和空間的怪物會捕獲一切進(jìn)入其中的東西。沒有任何東西，甚至是光，都無法逃離黑洞。
Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 各自帶領(lǐng)著一群天文學(xué)家，從上世紀(jì)九十年代初就開始研究銀河系的中心區(qū)域。隨著精確度的提高，他們成功繪制了離銀河系中心最近的最亮恒星的軌道。兩組研究人員都發(fā)現(xiàn)，有一種看不見但很重的物體，促使這些恒星在周圍轉(zhuǎn)圈。
這個看不見的物質(zhì)大約有 400 萬個太陽質(zhì)量那么重，但體積卻和我們的整個太陽系差不多。是什么使得銀河系中心附近的恒星以如此驚人的速度旋轉(zhuǎn)呢？根據(jù)當(dāng)前的引力理論，可能的解釋只有一個：那就是超大質(zhì)量黑洞。
超越愛因斯坦的突破
廣義相對論之父愛因斯坦本人曾經(jīng)也不認(rèn)為黑洞會真的存在。但是，在愛因斯坦去世后十年，英國理論學(xué)家 Roger Penrose 證明，黑洞可以形成，并描述了它們的特征。黑洞的中心隱藏著一個奇點(diǎn)，所有已知自然法則在這里都不再適用。
為了證明黑洞的形成是一個穩(wěn)定的過程，Penrose 需要擴(kuò)展用來研究相對論的方法，即使用新的數(shù)學(xué)概念來解決這一理論的問題。Penrose 的突破性文章發(fā)表于 1965 年 1 月，至今仍被認(rèn)為是自愛因斯坦以來，對廣義相對論的最重要貢獻(xiàn)。
引力牢牢掌控整個宇宙
黑洞大概是廣義相對論的最奇怪結(jié)果。當(dāng)愛因斯坦在 1915 年 11 月提出他的這個理論時，它顛覆了此前所有的時空概念。該理論為理解引力提供了全新的基礎(chǔ)。引力在最大程度上塑造了宇宙。自此之后，廣義相對論為所有的宇宙研究提供基礎(chǔ)，并且在我們最常用的導(dǎo)航工具——GPS 中，也有實(shí)際應(yīng)用。
愛因斯坦的理論描述了引力如何掌控著整個宇宙中的一切。引力讓我們站在地球上，引力也控制著行星繞太陽運(yùn)行的軌道以及太陽繞銀河系運(yùn)行的軌道。引力也促使恒星從星際云中的誕生，而最終恒星又在引力塌縮下死去。大質(zhì)量物質(zhì)會彎曲空間并減慢時間；極大質(zhì)量物質(zhì)甚至可以切斷和包裹空間——形成黑洞。
第一個描述黑洞的理論出現(xiàn)于廣義相對論發(fā)表后的數(shù)周。盡管該理論的數(shù)學(xué)方程式極其復(fù)雜，但德國天體物理學(xué)家 Karl Schwarzschild 仍為愛因斯坦帶來一個解決方案，解釋大質(zhì)量物質(zhì)如何彎曲時空。
后來的研究表明，黑洞一旦形成，它會被事件視界包圍，該事件視界如同面紗一般圍繞黑洞中心的物質(zhì)運(yùn)動。黑洞永遠(yuǎn)隱藏在其事件視界之內(nèi)。質(zhì)量越大，黑洞及其視界就越大。對于相當(dāng)于太陽質(zhì)量的物質(zhì)，事件視界的直徑大約為三公里；而相當(dāng)于地球質(zhì)量的物質(zhì)，事件視界的直徑則只有九毫米。
超越完美的解
“黑洞”的概念在許多文化表達(dá)形式中都找到了新的含義，但對物理學(xué)家來說，黑洞是巨型恒星演化的自然終點(diǎn)。20 世紀(jì) 30 年代末，物理學(xué)家羅伯特 · 奧本海默（Robert Oppenheimer）首次計算出了一顆大質(zhì)量恒星的劇烈坍縮。奧本海默后來領(lǐng)導(dǎo)了制造出第一顆原子彈的 “曼哈頓計劃”（Manhattan Project）。當(dāng)質(zhì)量為太陽許多倍的巨型恒星耗盡燃料時，它們首先爆發(fā)成為超新星，然后坍縮成密度極高的殘骸，其質(zhì)量之大，以致于引力能將一切都拉進(jìn)內(nèi)部，甚至包括光。
早在 18 世紀(jì)末，英國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家約翰 · 米歇爾（John Michell）和法國著名科學(xué)家皮埃爾 · 西蒙 · 德 · 拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）就提出了 “暗星”（dark star）的概念。兩人都認(rèn)為，天體的密度可以大到讓人看不見，因為光的速度也不足以逃脫它們的引力。
一個多世紀(jì)之后，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，該理論中一些方程的解描述的正是這樣的暗星。直到 20 世紀(jì) 60 年代，這些解都被認(rèn)為是純粹的理論推測，描述了恒星及其黑洞呈完美的圓形和對稱的理想狀態(tài)。但是，宇宙中沒有什么是完美的，而 Roger Penrose 首先成功地為所有坍縮物質(zhì)找到了一個現(xiàn)實(shí)的解。
類星體之謎
1963 年，隨著宇宙中最亮的物體——類星體（quasar）——的發(fā)現(xiàn)，黑洞是否存在的問題再次浮出水面。在近十年的時間里，天文學(xué)家一直對來自神秘來源（如室女座的 3C273）的無線電射線感到困惑?？梢姽廨椛渥罱K揭示了該類星體的真實(shí)位置——3C273 距離地球如此之遠(yuǎn)，以致于這些射線在超過 10 億年的時間里都在朝著地球傳播。
這些輻射源離我們?nèi)绱酥h(yuǎn)，其強(qiáng)度甚至相當(dāng)于幾百個星系發(fā)出的光。這些天體被命名為 “類星體”。天文學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn)了更加遙遠(yuǎn)、在宇宙早期就已經(jīng)發(fā)出輻射的類星體。這種令人難以置信的輻射來自哪里？要在類星體有限的體積內(nèi)獲得如此多的能量，只有一種方法——從墜入巨大黑洞的物質(zhì)中獲取。
俘獲面
黑洞是否能在現(xiàn)實(shí)條件下形成是困擾 Roger Penrose 的一個問題。他后來回憶道，答案出現(xiàn)在 1964 年秋天，當(dāng)時他正和一位同事在倫敦散步。Penrose 當(dāng)時是伯克貝克學(xué)院的數(shù)學(xué)教授。當(dāng)他們暫時停下交談，穿過一條小街時，一個想法突然出現(xiàn)在他的腦海里。那天下午晚些時候，他回憶起了這個想法，也就是被他稱為 “俘獲面”（trapped surface）的概念。這是他一直想要尋找的關(guān)鍵，也是描述黑洞所需要的重要數(shù)學(xué)工具。
一個俘獲面會迫使所有光線指向一個中心，不管表面是向外還是向內(nèi)彎曲。利用束縛表面，Penrose 證明黑洞總是隱藏著一個奇點(diǎn)，即一個時間和空間的邊界。奇點(diǎn)的密度無限大，但到目前為止，還沒有理論能夠解釋這一物理學(xué)中最奇特的現(xiàn)象。
在 Penrose 對奇點(diǎn)定理的證明進(jìn)行完善時，俘獲面成為一個中心概念。在如今有關(guān)彎曲宇宙的研究中，他所引入的拓?fù)浞椒òl(fā)揮著重要的作用。
通向時間盡頭的單行道
一旦物質(zhì)開始塌縮并形成俘獲面，塌縮就再也沒有可能停止。正如物理學(xué)家兼諾貝爾獎得主 Subrahmanyan Chandrasekhar 講述的故事中所言，沒有回頭路。他的這個故事講的是蜻蜓和其生活在水面下的幼蟲。當(dāng)幼蟲準(zhǔn)備好展開翅膀時，它向周圍的同伴承諾，會回來向它們講述水面上的大千世界。但是一旦幼蟲真的沖出水面，如蜻蜓一般飛舞后，它就再也回不去了。水中的幼蟲永遠(yuǎn)無法聽到水面之外大千世界的故事。
同樣地，所有物質(zhì)也只能沿一個方面穿越黑洞的事件視界。然后，時間取代空間，所有可能的路徑都指向內(nèi)部，時間的流逝將所有事物推向不可避免的終點(diǎn)——奇點(diǎn)。如果你穿過事件視界，掉入一個超大質(zhì)量黑洞，你不會有任何感覺。但是從黑洞的外邊，沒有人會看到你跌入其中，而你的旅程會一直繼續(xù)。在物理學(xué)定律范圍內(nèi)，窺視黑洞內(nèi)部是不可能的；黑洞的一切秘密都隱藏在它們的事件視界之內(nèi)。
黑洞控制恒星的路徑
黑洞的形成 （左上） 黑洞橫截面 當(dāng)一顆巨大的恒星在自身引力作用下塌縮時，它會形成一個質(zhì)量很大的黑洞，捕獲穿越其事件視界的一切東西。哪怕是光都無法逃離黑洞。在事件視界中，時間取代空間，所有路徑向內(nèi)指。時間流將一切帶向黑洞最深處的奇點(diǎn)——在這里，密度是無限的，時間也止于此。（右下） 光錐表示光線在時間上向前和向后的路徑。當(dāng)物質(zhì)塌縮并形成黑洞時，穿過黑洞事件視界的光錐將向內(nèi)朝奇點(diǎn)運(yùn)動。外部的觀察者永遠(yuǎn)不會真正看到光線到達(dá)事件視界。他們看到的，只是光線接近事件視界。之后的就沒有人能看到。
即便我們看不見黑洞，但我們?nèi)钥梢酝ㄟ^觀察黑洞引導(dǎo)周圍恒星運(yùn)動的巨大引力，來確定其特征。
Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 各自帶領(lǐng)著一個獨(dú)立的研究小組，以探索我們的銀河系中心區(qū)域。我們的銀河系狀似一張圓盤，直徑達(dá)到 10 萬光年，其中有云氣和塵埃，以及幾千億顆恒星；其中之一就是我們的太陽。我們從地球上望去，巨大的星際氣體和塵埃遮擋了大部分來自銀河系中心的可見光芒。紅外線望遠(yuǎn)鏡和無線電技術(shù)首次讓天文學(xué)家得以穿越這些障礙，觀測到銀河系中心的恒星。
Genzel 和 Ghez 循著恒星的運(yùn)行軌道，提出迄今為止最有說服力的證據(jù)：銀河系中心隱藏著一個看不見的超大質(zhì)量物體。黑洞是唯一可能的解釋。
聚焦中心
圖 3：銀河系俯視圖。我們的銀河系狀似一張圓盤，直徑達(dá)到 10 萬光年。銀河系的漩渦臂由云氣和塵埃以及幾千億顆恒星組成；其中之一就是我們的太陽。
五十多年來，物理學(xué)家一直在懷疑，銀河系的中心可能存在一個黑洞。自從二十世紀(jì)六十年代初發(fā)現(xiàn)類星體以來，物理學(xué)家就推測，大多數(shù)大型星系（包括銀河系）的內(nèi)部可能存在超大質(zhì)量黑洞。但是，目前尚無人能解釋，星系和它們的黑洞，到底是如何形成的。
一百年前，美國天文學(xué)家 Harlow Shapley 率先確定了銀河系的中心，指向人馬座。在后來的觀測中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)那里有強(qiáng)大的無線電波源，他們把這個無線電波源稱為 “人馬座 A*”。等到二十世紀(jì)六十年代末，人們發(fā)現(xiàn)人馬座 A * 占據(jù)了銀河系中心，銀河系內(nèi)的所有恒星都圍繞其運(yùn)行。
但一直到二十世紀(jì)九十年代，我們才有了更大的望遠(yuǎn)鏡和更好的設(shè)備，可以對人馬座 A * 進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 分別啟動了各自的項目，試圖透過厚厚的塵埃云觀察銀河系的中心。他們和自己的研究團(tuán)隊一起，開發(fā)和完善各自的技術(shù)，構(gòu)建獨(dú)特的儀器并投身于長期的研究。
要觀測遙遠(yuǎn)的恒星，就要用到世界上最大的望遠(yuǎn)鏡——在天文學(xué)中，越大越好是一條絕對的真理。德國天文學(xué)家 Reinhard Genzel 和他的團(tuán)隊最初使用的是新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT），位于智利的拉西拉天文臺。后來，他們將觀測轉(zhuǎn)移到位于帕拉納爾山（也是在智利）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）上。甚大望遠(yuǎn)鏡擁有 4 臺 8.2 米口徑的望遠(yuǎn)鏡，相當(dāng)于新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（3.58 米）的兩倍以上，而這些望遠(yuǎn)鏡的組合等效口徑可達(dá) 16 米。
在美國，Andrea Ghez 和她的研究團(tuán)隊使用了位于夏威夷莫納克亞山的凱克天文臺。該天文臺擁有兩座口徑約 10 米的望遠(yuǎn)鏡，是目前世界上最大的望遠(yuǎn)鏡之一。每面鏡片都像一個蜂巢，由 36 個六邊形的部分組成，可以單獨(dú)控制，以更好地聚焦星光。
星星指路
這些恒星的軌道表明，在銀河系的中心區(qū)域，某種無形而沉重的東西控制著它們的軌道。
最靠近銀河系中心的恒星
這兩顆恒星的軌道是迄今為止最令人信服的證據(jù)，證明在人馬座 A * 中隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞。據(jù)估計，這個黑洞的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 400 萬倍，而所有這些質(zhì)量都擠壓在一個不比太陽系大多少的區(qū)域內(nèi)。
左上：天文學(xué)家測量了銀河系中心人馬座 A * 附近一些恒星的軌道；
右上：對其中一顆恒星 S2（或稱 S-02），天文學(xué)家成功繪制了其完整的軌道，發(fā)現(xiàn)其圍繞銀河系中心的周期不到 16 年。該恒星最靠近人馬座 A * 時，距離僅為大約 17 光時（100 億公里以上）。
左下：S2 的徑向速度會隨著其接近人馬座 A * 而增加，并隨其在橢圓形軌道上的運(yùn)行而逐漸下降。徑向速度是恒星速度在我們視線上的分量。
右下：在最靠近人馬座 A*（2002 年和 2018 年）時，恒星 S2 的速度達(dá)到最高的每秒 7000 公里
無論望遠(yuǎn)鏡有多大，它們所能分辨的細(xì)節(jié)總是有限的，因為在我們上方，是將近 100 千米厚的大氣層。望遠(yuǎn)鏡上方的大氣泡往往比周圍環(huán)境的溫度更高或更低，它們就像透鏡，能使光線在到達(dá)望遠(yuǎn)鏡鏡面時發(fā)生折射，從而扭曲了光波。這就是星星閃爍的原因，也是星空圖像模糊的原因。
自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)對天文觀測的改善至關(guān)重要?，F(xiàn)在，望遠(yuǎn)鏡上都安裝了一個額外的薄鏡片，用以補(bǔ)償空氣的湍流，并校正扭曲的圖像。
近三十年來，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 一直在銀河系中心的恒星群中追蹤某些恒星。他們繼續(xù)開發(fā)和改進(jìn)這項技術(shù)，采用更靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應(yīng)光學(xué)元件，使圖像分辨率提高了 1000 倍以上。現(xiàn)在，他們可以更精確地確定恒星的位置，并在夜間跟蹤它們。
研究人員追蹤了這群恒星中 30 顆最亮的恒星。這些恒星在距離中心一個 “光月”的半徑內(nèi)移動得最快。另一方面，這一區(qū)域以外的恒星則更有序地沿著它們的橢圓軌道運(yùn)行（圖 4）。
一顆被稱為 S2（或 S-O2）的恒星，在不到 16 年的時間內(nèi)繞銀河系中心運(yùn)行了一周。這是非常短的時間，因此天文學(xué)家能夠繪制出它的整個軌道。我們可以拿太陽來比較，太陽繞銀河系中心轉(zhuǎn)一圈需要超過 2 億年的時間；換言之，當(dāng)我們目前這一圈剛剛開始時，恐龍還在地球上行走。
理論與觀測相輔相成
兩個小組的測量結(jié)果非常一致，他們得出的結(jié)論是：銀河系中心的黑洞質(zhì)量應(yīng)該相當(dāng)于 400 萬倍太陽質(zhì)量，被擠壓到一個太陽系大小的區(qū)域內(nèi)。
我們或許很快就能看到人馬座 A * 的真面目了。就在一年前，事件視界望遠(yuǎn)鏡天文網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功拍攝到一個超大質(zhì)量黑洞的圖像——事實(shí)上，我們看到的是它周圍最鄰近的環(huán)境。在距離我們 5500 萬光年的室女 A 星系（又稱 M87 星系）中，存在著一個由超大質(zhì)量黑洞構(gòu)成的核心。
M87 星系的核心黑洞非常巨大，質(zhì)量是人馬座 A * 的 1000 多倍。相比之下，近年來許多引力波事件背后的碰撞黑洞要輕得多。和黑洞一樣，在 2015 年秋天被美國的 LIGO 探測器第一次捕獲引力波信號之前，這種時空漣漪只是愛因斯坦廣義相對論的理論預(yù)測（取得該發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家榮獲 2017 年諾貝爾物理學(xué)獎）。
未解的謎題
Roger Penrose 的工作揭示了黑洞是廣義相對論的直接推論，但在奇點(diǎn)無限強(qiáng)大的引力下，這個理論不再適用。理論物理學(xué)領(lǐng)域正在進(jìn)行大量的工作，以創(chuàng)建一個新的量子引力理論。這必須將物理學(xué)的兩大支柱——相對論和量子力學(xué)——結(jié)合起來，并在黑洞的內(nèi)部的極端條件下相遇。
與此同時，天文學(xué)家也越來越接近黑洞，試圖更近距離地展開觀測。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 的開創(chuàng)性工作為新一代天文學(xué)家開辟了道路，使他們能夠?qū)V義相對論及其最奇異的預(yù)測進(jìn)行精確的驗證。這些測量和驗證工作很可能為新的理論見解提供線索，并揭示宇宙中更多的秘密和驚喜。
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