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三位得主分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對(duì)宇宙中最奇異的現(xiàn)象之一——黑洞的發(fā)現(xiàn)。羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）證明了黑洞是廣義相對(duì)論的直接結(jié)果。萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·蓋茲（Andrea Ghez）發(fā)現(xiàn)，銀河系中心的恒星軌道被一個(gè)看不見的質(zhì)量極大的物體控制。超大質(zhì)量黑洞是目前已知的唯一解釋。

羅杰·彭羅斯發(fā)明了精妙的數(shù)學(xué)方法來探索阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對(duì)論。他證明了廣義相對(duì)論將導(dǎo)致黑洞的形成。黑洞是時(shí)空中的怪獸，可以捕捉進(jìn)入它們的一切。任何東西，即使是光，也無法逃脫。

萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲各自領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)天文學(xué)家小組，他們自20世紀(jì)90年代初以來一直專注于銀河系中心一個(gè)名為人馬座A*的區(qū)域。隨著精度的提高，他們繪制了距離銀河系中心最近最亮的群星的軌道。這兩個(gè)小組都發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量極大的不可見的天體，它吸引著一群運(yùn)動(dòng)方向不同的恒星，使得它們以極快的速度繞轉(zhuǎn)。這個(gè)看不見的物體大約有400萬個(gè)太陽質(zhì)量，擠在一個(gè)不比我們太陽系大的區(qū)域內(nèi)。是什么讓銀河系中心的恒星以如此驚人的速度旋轉(zhuǎn)？根據(jù)目前的引力理論，只有一個(gè)候選者——超大質(zhì)量黑洞。

超越愛因斯坦的突破

即使是廣義相對(duì)論之父——愛因斯坦也不認(rèn)為黑洞真的存在。然而，在愛因斯坦去世十年后，英國理論家羅杰·彭羅斯證明了黑洞可以形成，并描述了黑洞的性質(zhì)。在黑洞的核心，隱藏著一個(gè)奇點(diǎn)（singularity），這是理論的邊界，在此所有已知的自然法則都將失效。

為了證明黑洞的形成是一個(gè)穩(wěn)定的過程，彭羅斯需要拓展用于研究相對(duì)論的方法——用新的數(shù)學(xué)概念來解決該理論中的問題。彭羅斯的開創(chuàng)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(duì)廣義相對(duì)論的最重要貢獻(xiàn)。

引力統(tǒng)治宇宙

黑洞可能是廣義相對(duì)論最神奇的結(jié)果。當(dāng)愛因斯坦在1915年11月提出他的理論時(shí)，它顛覆了之前所有的空間和時(shí)間概念。該理論為理解引力提供了一個(gè)全新的基礎(chǔ)，而引力在最大尺度上塑造了宇宙。從那時(shí)起，這一理論為所有的宇宙研究提供了基礎(chǔ)，并在我們常見的導(dǎo)航工具GPS中得到了實(shí)際應(yīng)用。

愛因斯坦的理論描述了宇宙中的一切事物和每個(gè)人是如何被引力掌控的。重力把我們留在地球上，引力控制著行星圍繞太陽的軌道以及太陽圍繞銀河系中心的軌道。它使得恒星從星際云中誕生，并最終在引力坍縮中消亡。引力塑造空間的形狀，影響時(shí)間的流逝。大質(zhì)量物體會(huì)使空間彎曲，使時(shí)間變慢；極大質(zhì)量的聚集甚至?xí)袛嗖⒎忾]一塊空間——形成黑洞。

對(duì)我們現(xiàn)在所說的“黑洞”的第一次理論描述出現(xiàn)在廣義相對(duì)論發(fā)表數(shù)周以后。盡管廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程有極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式，但德國天體物理學(xué)家卡爾·施瓦西（Karl Schwarzschild）仍為愛因斯坦提供了一個(gè)描述質(zhì)量如何使時(shí)空彎曲的解。

后來的研究表明，一旦黑洞形成，它就被事件視界所包圍，事件視界像面罩一樣遮蓋了位于黑洞中心的質(zhì)量。黑洞永遠(yuǎn)隱藏在它的視界之內(nèi)。質(zhì)量越大，黑洞及其視界就越大。對(duì)于與太陽相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，事件視界的半徑約為3公里，而對(duì)于像地球這樣的質(zhì)量，其半徑只有約9毫米。

超乎完美的解

“黑洞”的概念在許多文化層面中擁有了新的含義，但對(duì)于物理學(xué)家而言，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）首次完成了一顆大質(zhì)量恒星的劇烈坍縮進(jìn)行的計(jì)算，他后來領(lǐng)導(dǎo)了制造第一枚原子彈的曼哈頓計(jì)劃。當(dāng)比太陽重許多倍的巨星耗盡燃料時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超新星爆發(fā)，隨后坍塌成極其致密的遺骸，它們?nèi)绱酥匾灾劣谄湟⑼淌梢磺兄車挛铮踔潦枪狻?/p>

早在18世紀(jì)末，英國哲學(xué)家和數(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）的著作中就提及“暗星”的概念。兩人都認(rèn)為，天體可能會(huì)變得十分致密，以至于它們將是不可見的——即使是光速也不足以擺脫它們的引力。

一個(gè)多世紀(jì)后，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對(duì)論，該理論中以困難著稱的方程的某些解就描述了這樣的暗星。直到20世紀(jì)60年代，這些解還被認(rèn)為是純粹的理論推測(cè)，描述的是恒星及其黑洞的完美球形和對(duì)稱的理想情況。但宇宙中沒有什么是完美的，羅杰·彭羅斯是第一個(gè)成功地為所有坍縮物質(zhì)找到現(xiàn)實(shí)的解的人，不同于完美的球形和理想的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這些物質(zhì)可以有凹痕、波紋和自然的缺陷。

類星體之謎

1963年，隨著宇宙中最明亮的天體——類星體的發(fā)現(xiàn)，黑洞存在的問題再次浮現(xiàn)。在之后的十年里，天文學(xué)家一直為來自神秘源的射電信號(hào)感到困惑，如室女座的3C273?？梢姽廨椛渥罱K揭示了它的真實(shí)位置——3C273十分遙遠(yuǎn)以至于其光線傳播超過10億年才到達(dá)地球。

若此光源距離如此遠(yuǎn)，那么它的強(qiáng)度必須相當(dāng)于幾百個(gè)星系的光。它被命名為“類星體”。天文學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)類星體是如此遙遠(yuǎn)，它們?cè)谟钪娴脑缙诰鸵寻l(fā)出了輻射。這些難以置信的輻射從何而來？只有一種方法可以在類星體的有限體積內(nèi)獲得如此大量能量——物質(zhì)落入大質(zhì)量黑洞。

俘獲面解開謎團(tuán)

黑洞能否在實(shí)際條件下形成是一個(gè)令羅杰·彭羅斯困惑的問題。據(jù)他后來的回憶，答案出現(xiàn)在1964年秋天，當(dāng)時(shí)他和一位同事在倫敦散步，彼時(shí)彭羅斯是伯克貝克學(xué)院（Birkbeck College）的數(shù)學(xué)教授。當(dāng)他們停止交談準(zhǔn)備穿過一條小巷時(shí)，一個(gè)想法閃現(xiàn)在他的腦海里。那天下午的晚些時(shí)候，他在記憶中尋找那一閃的靈光。這個(gè)他稱之為“俘獲面（trapped surface）”的想法是他一直在不知不覺中尋找的關(guān)鍵，是描述黑洞所需的一種關(guān)鍵數(shù)學(xué)工具。

無論曲面是向外還是向內(nèi)彎曲，俘獲面都會(huì)迫使所有光線指向一個(gè)中心。彭羅斯利用俘獲面證明了黑洞中總是隱藏著一個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)時(shí)間和空間結(jié)束的邊界。奇點(diǎn)的密度無限大，迄今為止，還沒有理論能夠走進(jìn)這一物理學(xué)中最奇異的現(xiàn)象。

在彭羅斯對(duì)奇點(diǎn)定理的證明過程中，俘獲面成為了一個(gè)中心概念。他引入的拓?fù)鋵W(xué)方法對(duì)于研究彎曲宇宙而言是極其有用的。

通往時(shí)間盡頭的單行道

一旦物質(zhì)開始坍縮以及一個(gè)俘獲面形成，則沒有什么可以阻止坍縮的繼續(xù)。正如物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主錢德拉塞卡（Chandrasekhar）講述的一個(gè)來自于他在印度的童年故事那樣——沒有回頭的路了。故事講的是蜻蜓和它們?cè)谒碌挠紫x。當(dāng)幼蟲準(zhǔn)備展開翅膀時(shí)，它承諾會(huì)告訴它的朋友們水面另一邊的生活是什么樣子。而一旦幼蟲穿過水面飛走，成為一只蜻蜓，就一去不復(fù)返了。水中的幼蟲也聽不到對(duì)面的生活故事。

同樣，所有物質(zhì)只能沿一個(gè)方向越過黑洞的事件視界，而后時(shí)間取代了空間，所有可能的路徑都指向內(nèi)部，時(shí)間流將所有事物都無法避免地帶向了奇點(diǎn)（圖2）。如果您穿越了超大質(zhì)量黑洞的視界，您將不會(huì)有任何感覺。而在黑洞之外，沒有人能看到您穿越事件視界，您永遠(yuǎn)處于通往事件視界的旅程當(dāng)中。物理學(xué)定律不允許我們窺探黑洞。黑洞將他們的所有秘密隱藏在事件視界的背后。

圖2. 一個(gè)黑洞的形成

黑洞控制著恒星的軌跡

即使無法看見黑洞，我們也可以通過觀測(cè)它的巨大引力如何牽引周圍恒星的運(yùn)動(dòng)來確定它的性質(zhì)。

萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲各自領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)探索銀河系中心的研究小組。銀河系的形狀像一個(gè)直徑約10萬光年的扁平圓盤，由氣體、塵埃和幾千億顆恒星組成，其中一顆恒星是我們的太陽（圖3）。從地球的位置看去，大量的星際氣體和塵埃云遮蔽了來自銀河系中心的大部分可見光。紅外望遠(yuǎn)鏡和射電技術(shù)率先讓天文學(xué)家的視線穿透銀盤，為銀河系中心的恒星成像。

根澤爾和蓋茲利用恒星的軌道作為指引，為證明那里隱藏著一個(gè)看不見的超大質(zhì)量天體，提供了迄今為止最令人信服的證據(jù)。而黑洞是唯一可能的解釋。

聚焦于銀河系中心

五十多年來，物理學(xué)家一直猜想銀河系中心可能存在一個(gè)黑洞。自從20世紀(jì)60年代初類星體被發(fā)現(xiàn)以來，物理學(xué)家們就推斷，包括銀河系在內(nèi)的大多數(shù)大型星系中都可能發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞。然而，目前還沒有人能解釋星系及其質(zhì)量為數(shù)百萬至數(shù)十億太陽質(zhì)量的黑洞是如何形成的。

一百年前，美國天文學(xué)家哈洛·沙普利(Harlow Shapley)第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了銀河系的中心指向人馬座的方向。通過后來的觀測(cè)，天文學(xué)家在那里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)大的射電源，命名為人馬座A*（Sagittarius A*）。到20世紀(jì)60年代末，人馬座A*占據(jù)了銀河系的中心已經(jīng)是一個(gè)清楚的事實(shí)，銀河系中的所有恒星都圍繞著它運(yùn)行。

直到20世紀(jì)90年代，人們擁有了更大的望遠(yuǎn)鏡和更好的設(shè)備，可以對(duì)人馬座A*進(jìn)行更系統(tǒng)的研究。萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲各自啟動(dòng)了一些項(xiàng)目，試圖透過塵埃云看到銀河系的中心。他們帶領(lǐng)研究小組開發(fā)和完善了技術(shù)，建造了獨(dú)特的儀器，致力于長(zhǎng)期的研究。

圖3. 銀河系俯視圖。其形狀如同一個(gè)直徑約10萬光年的扁平圓盤。它的旋臂由氣體、塵埃和數(shù)千億顆恒星組成。其中一顆恒星就是我們的太陽

只有世界上最大的望遠(yuǎn)鏡才有足夠的能力觀測(cè)遙遠(yuǎn)的恒星——在天文學(xué)中，越大越好是絕對(duì)真理。德國天文學(xué)家萊因哈德·根澤爾和他的團(tuán)隊(duì)最初使用的是位于智利拉西拉山的新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT）。他們最終將觀測(cè)轉(zhuǎn)移到了帕拉納爾山（也位于智利）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）。VLT擁有四個(gè)大小是NTT兩倍的巨型望遠(yuǎn)鏡，擁有世界上最大的整單鏡面，每個(gè)鏡面的直徑都超過8米。

在美國，安德里亞·蓋茲和她的研究團(tuán)隊(duì)使用了位于夏威夷莫納克亞山的凱克天文臺(tái)。它的望遠(yuǎn)鏡直徑將近10米，是目前世界上最大的望遠(yuǎn)鏡之一。每一個(gè)鏡面都形如蜂巢，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡由36個(gè)六邊形鏡面組成，這些部件可以分別控制，從而更好地聚焦星光。

群星的軌跡

無論望遠(yuǎn)鏡有多大，它們能夠分辨的細(xì)節(jié)總是有限的，因?yàn)槲覀兩钤诮?00公里深的大氣之海的底部。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡上方出現(xiàn)比周圍環(huán)境熱或冷的氣泡時(shí)，它們就像透鏡一樣，在光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡鏡面的過程中折射光線，扭曲光波。這就是為什么星星會(huì)閃爍，以及為什么它們的圖像有時(shí)是模糊的。

自適應(yīng)光學(xué)的出現(xiàn)對(duì)改進(jìn)觀測(cè)至關(guān)重要。自此望遠(yuǎn)鏡裝備了一面額外的薄鏡面，用來糾正因大氣中的湍流而產(chǎn)生的圖像扭曲。

近三十年來，萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲一直在我們銀河系中心的遙遠(yuǎn)而雜亂的群星中追尋著他們需要的恒星。他們繼續(xù)開發(fā)和改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，配備了更靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應(yīng)光學(xué)，使圖像分辨率提高了1000倍以上。他們得以更精確地測(cè)定恒星的位置，每夜不停地追蹤它們。

研究人員追蹤了眾多恒星中大約30顆最亮的恒星。恒星在距離中心一個(gè)光月的半徑內(nèi)運(yùn)動(dòng)最快，在此范圍內(nèi)它們就像一群瘋狂起舞的蜜蜂。反之，在這個(gè)區(qū)域之外的恒星則以更有序的方式沿著它們的橢圓軌道運(yùn)行(圖4)。

圖4. 恒星的軌道表明，在銀河系的中心，有個(gè)不可見的大質(zhì)量物體控制著它們的路徑

一顆名為S2或S-O2的恒星在不到16年的時(shí)間內(nèi)完成了圍繞銀河系中心的軌道運(yùn)行。這是一個(gè)非常短的時(shí)間，因而天文學(xué)家能夠繪制出它的完整的軌跡圖。相比之下，太陽繞銀河系中心一圈需要2億多年的時(shí)間；當(dāng)我們開啟目前的一圈時(shí)，恐龍仍在地球上行走。

理論和觀測(cè)相輔相成

這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的測(cè)量結(jié)果非常一致，他們得出的結(jié)論是，銀河系中心的黑洞相當(dāng)于約400萬個(gè)太陽質(zhì)量，聚集在太陽系大小的區(qū)域內(nèi)。

也許我們很快就能直接看到人馬座A*。就在一年多以前，視界面望遠(yuǎn)鏡成功地對(duì)一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的鄰近環(huán)境進(jìn)行了成像，而人馬座A*則是觀測(cè)名單上的下一個(gè)。在距離我們5500萬光年的名為M87的星系中，有一個(gè)被火環(huán)包圍的比黑眼珠還更黑的區(qū)域。

M87的黑色核心非常巨大，比人馬座A*重一千多倍。引起最近發(fā)現(xiàn)的引力波的碰撞黑洞則要輕得多。與黑洞一樣，引力波也曾經(jīng)只是愛因斯坦的廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果，直到它的信號(hào)在2015年秋天被位于美國的LIGO探測(cè)器首次捕獲（2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。

未知

羅杰·彭羅斯證明了黑洞是廣義相對(duì)論的直接結(jié)果，但是在奇點(diǎn)無限強(qiáng)大的引力下，廣義相對(duì)論也不再適用。理論物理領(lǐng)域正進(jìn)行著大量地工作，以期創(chuàng)造新的量子引力理論。它將使相對(duì)論和量子力學(xué)這兩大物理學(xué)支柱結(jié)合起來，兩者將在黑洞的最內(nèi)部相遇。

與此同時(shí)，人類的觀測(cè)也越來越接近黑洞。萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲的開創(chuàng)性工作引領(lǐng)了對(duì)廣義相對(duì)論及其最神奇預(yù)測(cè)的新一代精確測(cè)試。極有可能的是，這些測(cè)量也能夠?yàn)樾碌睦碚撎峁┚€索。宇宙還有許多秘密和驚喜有待發(fā)現(xiàn)。

瑞典皇家科學(xué)院決定將2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半授予羅杰·彭羅斯，因其“發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對(duì)論的必然預(yù)言”；另一半則由萊茵哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲共享，因?yàn)樗麄儭霸阢y河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量的致密天體”。 羅杰·彭羅斯，1931年出生于英國科爾切斯特。1957年畢業(yè)于英國劍橋大學(xué)，獲博士學(xué)位。英國牛津大學(xué)教授。

萊因哈德·根澤爾，1952年出生于德國巴德洪堡。1978年在德國波恩大學(xué)獲得博士學(xué)位。德國馬克斯·普朗克地外物理研究所所長(zhǎng)，美國加州大學(xué)伯克利分校教授。

安德里亞·蓋茲，1965年出生于美國紐約市。1992年畢業(yè)于美國加州理工學(xué)院，獲博士學(xué)位。美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授。

原文鏈接： https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/popular-information/

譯者：廖振玄，恒星級(jí)黑洞研究團(tuán)組博士研究生

責(zé)編：萬昊宜、袁鳳芳

編輯：趙宇豪