20 世紀(jì) 70 年代初，當(dāng)索爾 · 圖科斯基還在攻讀理論物理學(xué)的博士學(xué)位時，他就解決了一個看似純粹假設(shè)性的問題。我們可以將黑洞想象成由大質(zhì)量恒星燃燒并坍縮而成的一個無限小的點(diǎn)，具有無比巨大的引力。假設(shè)你擾動了這個黑洞，就像敲擊一口大鐘一樣，那黑洞會作何反應(yīng)？
圖科斯基當(dāng)時是加州理工學(xué)院的博士研究生，他用鉛筆、紙和愛因斯坦的引力理論——廣義相對論——對這個問題進(jìn)行了分析。他發(fā)現(xiàn)，黑洞就像一口大鐘，會以一個主頻和多個泛頻振蕩。當(dāng)黑洞釋放出引力波時，這些振蕩會迅速消失。如今，圖科斯基在康奈爾大學(xué)擔(dān)任物理系主任。他表示，這是一個非常有意思的問題，但直到 5 年前，對這個問題的研究還是完全抽象的。
2016 年 2 月，研究人員第一次報道了用激光干涉引力波天文臺（LIGO）觀測到的引力波信號。根據(jù)計(jì)算，該引力波源自兩個相互環(huán)繞、逐漸靠近的黑洞，它們距離地球約 13 億光年，質(zhì)量分別約為太陽的 29 倍和 36 倍。LIGO 甚至能探測到雙黑洞系統(tǒng)合并為更大黑洞之后的 “鈴宕”（ring down，又稱 “拖尾波形”）階段，相當(dāng)于合并過程產(chǎn)生的擾動。據(jù)估計(jì)，它們合并形成的黑洞質(zhì)量約為太陽的 62 倍，有約 3 倍太陽質(zhì)量的能量在不到 1 秒的時間內(nèi)以引力波的形式釋出。于是，圖科斯基早期發(fā)表的論文突然間變成了前沿物理學(xué)。
▲ 在對黑洞的一個模擬中，強(qiáng)大的引力扭曲了它周圍高溫發(fā)光的氣體吸積盤
雖然聽起來很不可思議，但科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)可以將黑洞當(dāng)作真實(shí)物體來研究了。自 LIGO 的突破性發(fā)現(xiàn)以來，引力波探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 40 多個黑洞合并事件。2019 年 4 月，一個名為事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，簡稱 EHT）的國際合作項(xiàng)目拍攝了第一張黑洞圖像。EHT 結(jié)合了世界各地的多臺射電望遠(yuǎn)鏡，形成了一臺口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡。研究人員將它對準(zhǔn)了銀河系附近的室女 A 星系（M87），拍下了環(huán)繞其中心超大質(zhì)量黑洞 “陰影”的熾熱氣體環(huán)。與此同時，天文學(xué)家也在追蹤那些快速接近銀河系中心黑洞的恒星，這些恒星的軌跡可能為揭示黑洞本身的性質(zhì)提供線索。
在天體物理學(xué)家看來，這些觀測結(jié)果已經(jīng)挑戰(zhàn)了關(guān)于黑洞如何形成，以及它們?nèi)绾斡绊懼車h(huán)境的假設(shè)。研究人員通過對室女座干涉儀（Virgo，位于意大利）的數(shù)據(jù)分析表明，此前 LIGO 所探測到的一些較小黑洞可能比預(yù)期的更重、更多樣。這使得天體物理學(xué)家更難以理解可能形成這些黑洞的大質(zhì)量恒星。在我們的銀河系中，超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)境似乎出奇的 “富饒”，充滿了年輕恒星，而按照之前的猜想，這些恒星并不會在這樣的 “漩渦”中形成。還有一些科學(xué)家提出了一個更有吸引力的根本問題：我們是否真的看到了愛因斯坦理論所預(yù)測的黑洞？
▲ 廣義相對論對黑洞是什么，以及它們會如何出現(xiàn)做出了非常具體的預(yù)測
一些理論物理學(xué)家表示，答案很可能是平淡無奇的 “是”。美國芝加哥大學(xué)的引力理論學(xué)家羅伯特 · 沃爾德說：“從這些結(jié)果中，我不認(rèn)為我們能學(xué)到更多關(guān)于廣義相對論或黑洞理論的東西?！钡渌瞬⒉贿@么認(rèn)為?！罢鎸?shí)的黑洞與廣義相對論中預(yù)測的黑洞是完全一樣，還是兩種截然不同的事物？”佛羅里達(dá)大學(xué)的引力理論學(xué)家克利福德 · 威爾說，“這將是未來觀測的重點(diǎn)。”任何反?，F(xiàn)象都要求對愛因斯坦的理論進(jìn)行重新思考。物理學(xué)家懷疑，愛因斯坦的理論并不是引力的最終定論，因?yàn)樗c現(xiàn)代物理學(xué)的另一基石——量子力學(xué)——格格不入。
美國加州大學(xué)洛杉磯分校的天體物理學(xué)家安德烈婭 · 蓋茲表示，對于黑洞，研究人員已經(jīng)通過多種手段獲得了不同而互補(bǔ)的觀點(diǎn)。蓋茲因推測銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞而獲得 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎。她說：“要想拼湊出一幅完整的圖景，我們還有很長的路要走，但肯定會找到更多的拼圖碎片?！?/p>
充滿矛盾的黑洞
黑洞由純引力能組成，充滿了矛盾。它不包含任何物質(zhì)，但就像保齡球一樣，擁有質(zhì)量并能夠旋轉(zhuǎn)；它沒有表面，但有大小；它的行為如同一個宏大而有重量的物體，但實(shí)際上只是空間中一個特殊的區(qū)域。
這正是愛因斯坦在 1915 年發(fā)表的廣義相對論中所說的。早在兩個世紀(jì)前，艾薩克 · 牛頓就提出，引力是一種以某種方式穿過空間、使大質(zhì)量物體相互吸引的力。愛因斯坦的觀點(diǎn)更深一層，他認(rèn)為引力的產(chǎn)生是因?yàn)楹阈呛托行堑荣|(zhì)量巨大的物體扭曲了空間和時間——也就是時空（spacetime）——會導(dǎo)致自由落體的物體發(fā)生軌跡彎曲，比如拋出的球以拋物線下落。
早期廣義相對論的預(yù)測與牛頓的引力理論只有些微不同。牛頓預(yù)測行星應(yīng)該以穩(wěn)定的橢圓軌道圍繞其恒星運(yùn)行；廣義相對論則預(yù)測每個軌道會在運(yùn)行時朝某個方向稍微轉(zhuǎn)動，這被稱為軌道進(jìn)動（precess）。在廣義相對論的第一次勝利中，愛因斯坦證明了該理論可以解釋水星軌道的歲差，此前古典力學(xué)所預(yù)測的數(shù)值與水星近日點(diǎn)的進(jìn)動并不吻合，而廣義相對論消除了觀測與理論上的歧異。就在幾年后，物理學(xué)家意識到愛因斯坦的這個理論還暗示著一些更為顛覆性的東西。
1939 年，理論物理學(xué)家羅伯特 · 奧本海默及其同事計(jì)算出，當(dāng)一顆質(zhì)量足夠大的恒星燃燒殆盡時，任何已知的力都無法阻止它的核心坍塌為一個無窮小的點(diǎn)，其引力場就像時空中一個永久的無底深坑。在距離這個點(diǎn)的一定范圍內(nèi)，引力之強(qiáng)大，連光都無法逃脫。加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家大衛(wèi) · 芬克爾斯坦在 1958 年提出，任何越過這一距離的物體都將與宇宙的其他部分隔絕，這就是所謂的 “事件視界”。事件視界并不是一個物理表面，掉入其中的宇航員（如果可能的話）并不會看到什么特別的現(xiàn)象。芬克爾斯坦在 2016 年 1 月 24 日去世，就在 LIGO 宣布探測到引力波的前幾天；他留下了一個推論：事件視界將像一層單向膜，可以讓物體掉進(jìn)去，但內(nèi)部的一切無法逃出。
根據(jù)廣義相對論，這些物體——最終由著名理論物理學(xué)家約翰 · 阿奇博爾德 · 惠勒命名為 “黑洞”——應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出驚人的相似性。1963 年，新西蘭數(shù)學(xué)家羅伊 · 克爾計(jì)算出了一定質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)黑洞會如何扭曲時空。其他研究者很快證明，在廣義相對論中，質(zhì)量和自旋是黑洞能夠擁有的兩個基本特征，這意味著克爾的數(shù)學(xué)公式，即 “克爾度規(guī)”（Kerr metric），可以描述宇宙中存在的每一個黑洞?；堇諏⑦@一結(jié)果稱為 “無毛定理”（no-hair theorem），以強(qiáng)調(diào)兩個質(zhì)量和自旋相同的黑洞就像禿頭一樣難以區(qū)分。圖科斯基指出，惠勒本人就是禿頭，“這大概就是禿頭人士的自豪感吧”。
加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家肖恩 · 卡羅爾表示，一些物理學(xué)家懷疑黑洞可能并不存在，只是理論家們的想象之物。這些懷疑論者認(rèn)為，黑洞可能只是廣義相對論精妙數(shù)學(xué)體系的人工產(chǎn)物，或者只可能在非現(xiàn)實(shí)的條件下形成，比如一個完美球形恒星的坍縮。然而，在 20 世紀(jì) 60 年代末，牛津大學(xué)的理論物理學(xué)家羅杰 · 彭羅斯用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)消除了這些疑慮，他也因此分享了 2020 年的諾貝爾物理學(xué)獎?？_爾說：“彭羅斯準(zhǔn)確地證明了，即使是一個塊狀物體，只要密度變得足夠高，它就會坍縮成一個黑洞?！?/p>
如何探測黑洞？愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，當(dāng)足夠大的質(zhì)量探索時，會留下一個可以自我維持的引力場，其強(qiáng)度之大足以使任何物體都無法逃脫，即使是光。但是，黑洞真的如廣義相對論所預(yù)言的那般不可思議嗎？觀測物理學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)有了可能找到答案的工具：
1。追蹤恒星。追蹤銀河系中心黑洞周圍恒星的軌道可以揭示黑洞是否像廣義相對論預(yù)測的那樣扭曲空間和時間；
2。拍攝圖像。超大質(zhì)量黑洞的圖像將為我們提供線索，以判斷它是否像廣義相對論預(yù)測的那樣擁有事件視界而不是物理表面，并驗(yàn)證黑洞是否只有質(zhì)量和自旋兩個基本特征
3。捕捉引力波。當(dāng)兩個較小的黑洞環(huán)繞并合并時會發(fā)出引力波，通過對引力波信號的觀測，可以揭示這些黑洞是否真的是物質(zhì)實(shí)體。如果合并后的黑洞以主頻和泛頻的方式振蕩，就能驗(yàn)證它的基本屬性是否只有質(zhì)量和自旋。
很快，天文學(xué)家開始探測到黑洞存在的跡象。他們發(fā)現(xiàn)了圍繞恒星運(yùn)行的微小 X 射線源，比如天鵝座 X-1（Cygnus X-1）。天體物理學(xué)家推斷，這些 X 射線來自于從恒星流出的氣體，當(dāng)它落到某個神秘的物體上時，溫度會不斷升高。氣體溫度和軌道細(xì)節(jié)表明，這個 X 射線源的質(zhì)量過于巨大，能量范圍又極其小，因此除了黑洞以外不可能是其他任何東西。類似的推理表明，遙遠(yuǎn)的類星體——能輻射巨大能量的活動星系核——也是由其中心的超大質(zhì)量黑洞提供能量的。
美國亞利桑那大學(xué)的天體物理學(xué)家費(fèi)婭爾 · 奧澤爾指出，沒有人能確定這些黑洞實(shí)際上就如理論物理學(xué)家所描繪的那樣?！拔覀兊侥壳盀橹顾〉玫陌l(fā)現(xiàn)，很少能確定事件視界的存在，”她說，“這是一個懸而未決的問題?！?/p>
現(xiàn)在，通過多種觀察黑洞的方法，科學(xué)家們可以開始檢驗(yàn)他們對黑洞的理解，尋找可能徹底改變物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)?！氨M管這種可能性非常小，但如果我們能發(fā)現(xiàn)任何偏離廣義相對論預(yù)測的結(jié)果，那將具有非常重要的意義，”卡羅爾說，“這是一個高風(fēng)險、高回報的問題?！?/p>
對黑洞的觀測
科學(xué)家希望回答三個很具體的問題：我們觀測到的黑洞真的有事件視界嗎？它們真的像無毛定理說的那樣沒有其他特征嗎？以及，它們會像克爾度規(guī)預(yù)測的那樣扭曲時空嗎？
也許回答這些問題最簡單的工具就是安德烈婭 · 蓋茲所開發(fā)的工具。自 1995 年以來，她和同事們一直在使用位于夏威夷的 10 米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡來追蹤人馬座 A*（Sgr A*）周圍的恒星。人馬座 A * 是位于銀河系中心的一個極其明亮且致密的無線電波源。1998 年，他們觀測到這些恒星在高速運(yùn)動，表明它們正圍繞一個質(zhì)量約為太陽 400 萬倍的物體運(yùn)行。由于人馬座 A * 在如此小的體積中容納了如此多的質(zhì)量，按照廣義相對論的預(yù)測，它一定是一個超大質(zhì)量黑洞。馬克斯 · 普朗克地外物理研究所的天體物理學(xué)家賴因哈德 · 根策爾也獨(dú)立追蹤了這些恒星，得出了同樣的結(jié)論，并與安德烈婭 · 蓋茲共同獲得了諾貝爾獎。
這其中，大部分信息來自于一顆被蓋茲稱為 S02 的恒星（根策爾記為 “S2”），它每 16 年圍繞人馬座 A * 旋轉(zhuǎn)一周，軌道是很扁的橢圓。正如水星繞太陽的軌道進(jìn)動一樣，S02 的軌道也應(yīng)該具有這一現(xiàn)象。蓋茲及其同事試圖從極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)中找出這一進(jìn)動效應(yīng)。“我們已經(jīng)非常接近，”蓋茲說，“我們發(fā)現(xiàn)了一個信號，但仍在說服自己它是真實(shí)的?！?020 年 4 月，根策爾團(tuán)隊(duì)取得了一個重大發(fā)現(xiàn)：多年觀察表明，S02 恒星的軌道并沒有保持靜止，而是緩慢發(fā)生著有規(guī)律的旋進(jìn)——即 “史瓦西進(jìn)動”（Schwarzschild precession）——呈現(xiàn)出猶如玫瑰花結(jié)的運(yùn)行軌跡。
如果運(yùn)氣好的話，蓋茲和根策爾等研究者有望找到其他的異?，F(xiàn)象，以最終確定超大質(zhì)量黑洞的本質(zhì)。黑洞的自旋應(yīng)該會改變其附近恒星軌道的進(jìn)動，而具體的改變方式可以由羅伊 · 克爾的數(shù)學(xué)描述來預(yù)測?？死５?· 威爾說：“如果有恒星比已經(jīng)觀察到的（黑洞附近）恒星距離更近——比如近 10 倍——那就可以檢驗(yàn)克爾度規(guī)是否完全正確?！?/p>
恒星追蹤技術(shù)可能永遠(yuǎn)無法探測到非常接近人馬座 A * 事件視界的地方。據(jù)估計(jì)，人馬座 A * 的直徑約為 4400 萬公里，只比水星最接近太陽的距離（4600 萬公里）略短。相比之下，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）結(jié)合了來自世界各地 11 臺射電望遠(yuǎn)鏡或陣列的數(shù)據(jù)，構(gòu)成了一臺龐大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，能對另一個超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行近距離觀察。這個位于室女 A 星系中的龐然大物擁有 65 億倍太陽質(zhì)量。
▲ 在這張由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作項(xiàng)目拍攝的標(biāo)志性圖像中，超大質(zhì)量黑洞在周圍氣體的輝光中投射出一個黑色的圓形 “陰影”
兩年前，EHT 團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一張著名的黑洞影像圖片，看起來就像一個燃燒的馬戲團(tuán)圓環(huán)，但實(shí)際上，圖像中蘊(yùn)含的內(nèi)容要復(fù)雜得多。明亮的光環(huán)來自高溫氣體，其包圍的黑色部分并不是黑洞本身；相反，這是前方氣體發(fā)出的光被黑洞的引力扭曲（引力透鏡效應(yīng)）所投射出來的 “陰影”。不過，陰影的邊緣并不是事件視界的邊界，而是超出了大約 50% 的距離；在這個距離范圍內(nèi)，時空被扭曲到足以讓穿過的光繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，既沒有逃逸也沒有落入黑洞。
即便如此，這幅圖像還是保留了與這個超大質(zhì)量黑洞中心有關(guān)的線索。例如，光環(huán)的光譜可以揭示該物體是具有物理表面還是事件視界。費(fèi)婭爾 · 奧澤爾解釋稱，撞擊到物理表面的物質(zhì)會比滑入黑洞的物質(zhì)發(fā)出更明亮的光（到目前為止，研究人員還沒有發(fā)現(xiàn)光譜扭曲）。陰影的形狀也可以檢驗(yàn)黑洞的經(jīng)典圖像，即一個自旋黑洞的事件視界應(yīng)該在赤道處凸出。然而，廣義相對論中的其他效應(yīng)可能會抵消陰影的這一效應(yīng)?！坝捎诓煌较虻臄D壓被非常怪異地抵消了，陰影看起來仍然是圓形的，”奧澤爾說，“這就是為什么陰影的形狀可以直接驗(yàn)證無毛定理的原因?！?/p>
一些研究者質(zhì)疑 EHT 能否以足夠的精度獲得黑洞圖像，以進(jìn)行這些驗(yàn)證。塞繆爾 · 格拉拉是亞利桑那大學(xué)的理論物理學(xué)家，他懷疑 EHT 可能并沒有 “看到”黑洞的陰影，而是從上往下俯瞰了圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的圓盤狀氣體。如果是這樣的話，圖中央的黑點(diǎn)就僅僅是一場天體物理颶風(fēng)的風(fēng)眼。但奧澤爾表示，即使分辨率有限，EHT 依然對驗(yàn)證廣義相對論在黑洞周圍的未知概念領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。
相比之下，引力波傳遞的信息直接來自黑洞本身。當(dāng)黑洞以一半光速螺旋形合并在一起時，這些時空漣漪就會不受阻礙地穿過普通物質(zhì)。目前，在 LIGO 和 Virgo 已經(jīng)探測到的黑洞合并事件中，黑洞的質(zhì)量從太陽的 3 倍到 86 倍不等。
弗蘭克 · 歐姆是一位引力理論學(xué)家，同時也是馬克斯 · 普朗克引力物理研究所的 LIGO 團(tuán)隊(duì)成員。他表示，通過這些合并事件，我們可以以多種方式探測黑洞。假設(shè)這些都是經(jīng)典黑洞，研究人員就可以根據(jù)廣義相對論計(jì)算出合并產(chǎn)生的引力波啁啾信號是如何加速，如何達(dá)到峰值，又是如何減弱的。如果這些大質(zhì)量天體實(shí)際上是更大的物質(zhì)實(shí)體，那么它們在靠近時就會相互扭曲，從而改變信號的峰值。到目前為止，研究人員沒有發(fā)現(xiàn)任何這樣的變化。
這種合并也產(chǎn)生了一個受擾動的黑洞，就像圖科斯基早期理論中所描述的那樣，而這就為驗(yàn)證廣義相對論提供了另一個途徑。合并后的黑洞會出現(xiàn)短暫而強(qiáng)烈的振蕩，呈現(xiàn)為一個主頻和多個較短的泛頻。根據(jù)無毛定理，這些頻率及其持續(xù)時間只取決于最終黑洞的質(zhì)量和自旋。弗蘭克 · 歐姆說：“當(dāng)你單獨(dú)分析每一種模式時，它們都必須指向相同的黑洞質(zhì)量和自旋，否則就會出現(xiàn)問題。”
2019 年 9 月，圖科斯基及其同事在一次信號特別強(qiáng)烈的合并事件中，找出了主頻和一個泛頻。對此弗蘭克 · 歐姆表示，如果實(shí)驗(yàn)者能夠提高探測器的靈敏度，他們或許能發(fā)現(xiàn)兩到三個泛頻，從而足夠?qū)o毛定理進(jìn)行驗(yàn)證。
未來的黑洞研究
未來的探測儀器可能會使這類驗(yàn)證變得更容易。安德烈婭 · 蓋茲表示，正在智利和夏威夷建造的 30 米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將具有比現(xiàn)有儀器高 80 倍的分辨率，可以更仔細(xì)地觀察人馬座 A * 附近的區(qū)域，并可能探測到距離該黑洞更近的恒星。類似地，EHT 的研究人員也在他們的網(wǎng)絡(luò)中加入了更多的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，這將使他們能更精確地拍攝室女 A 星系中心黑洞的圖像。另一方面，他們也在嘗試觀測人馬座 A * 并成像。
與此同時，引力波研究者已經(jīng)著手開發(fā)下一代更靈敏的探測器，包括激光干涉儀空間天線（LISA），它將由三顆相隔數(shù)百萬公里的衛(wèi)星組成，在太空中構(gòu)成一個等邊三角形。美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的理論物理學(xué)家尼古拉斯 · 尤尼斯表示，LISA 探測器具有極高的探測靈敏度，將在 21 世紀(jì) 30 年代發(fā)射，它或許能在某個遙遠(yuǎn)的星系中，發(fā)現(xiàn)一個普通的恒星質(zhì)量黑洞螺旋式靠近一個超大質(zhì)量黑洞，并最終與之合并的過程。
較小的黑洞可以作為某種精確的探測器，揭示一個更大黑洞周圍的時空扭曲是否完全如克爾度規(guī)的預(yù)測。尤尼斯指出，一個肯定的結(jié)果將鞏固廣義相對論對黑洞的預(yù)言，“但你必須等待 LISA 的進(jìn)展”。
與此同時，黑洞在突然之間變得可以觀測的事實(shí)已經(jīng)改變了引力物理學(xué)家的生活。廣義相對論和黑洞曾經(jīng)只存在于思維實(shí)驗(yàn)中，或者只能像圖科斯基那樣進(jìn)行優(yōu)雅而抽象的計(jì)算，現(xiàn)在卻突然成為基礎(chǔ)物理學(xué)中最熱門的領(lǐng)域。為了驗(yàn)證廣義相對論，科學(xué)家們設(shè)計(jì)了需要投入高達(dá)數(shù)十億美元的實(shí)驗(yàn)?！拔艺媲懈杏X到了這種轉(zhuǎn)變，”弗蘭克 · 歐姆說，“這是一個非常小的圈子，但隨著引力波的探測，一切都改變了?！?/p>
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