家里Wi-F2020年諾貝爾物理學獎揭曉：一半授予Roger Penrose，獲獎原因“發(fā)現(xiàn)廣義相對論預測了黑洞的形成”;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”。

三位物理學家分享了今年的諾貝爾物理學獎，因為他們發(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獎。Roger Penrose發(fā)明了巧妙的數(shù)學方法，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測了黑洞的形成。這些時空和空間的怪物會捕獲一切進入其中的東西。任何東西，甚至是光，都無法逃離黑洞。

Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自帶領著一群天文學家，從上世紀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圈。

這個看不見的物質大約有400萬個太陽質量那么重，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呢?根據(jù)當前的引力理論，可能的解釋只有一個：那就是超大質量黑洞。

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，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需要擴展用來研究相對論的方法，即使用新的數(shù)學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，至今仍被認為是自愛因斯坦以來，對廣義相對論的最重要貢獻。

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果。當愛因斯坦在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。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，并且在我們最常用的導航工具——GPS中，也有實際應用。

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行的軌道以及太陽繞銀河系運行的軌道。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。大質量物質會彎曲空間并減慢時間;極大質量物質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)學方程式極其復雜，但德國天體物理學家Karl Schwarzschild仍為愛因斯坦帶來一個解決方案，解釋大質量物質如何彎曲時空。

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運動。黑洞永遠隱藏在其事件視界之內。質量越大，黑洞及其視界就越大。對于相當于太陽質量的物質，事件視界的直徑大約為三公里;而相當于地球質量的物質，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形式中都找到了新的含義，但對物理學家來說，黑洞是巨型恒星演化的自然終點。20世紀30年代末，物理學家羅伯特·奧本海默(Robert Oppenheimer)首次計算出了一顆大質量恒星的劇烈坍縮。奧本海默后來領導了制造出第一顆原子彈的“曼哈頓計劃”(Manhattan Project)。當質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，其質量之大，以致于引力能將一切都拉進內部，甚至包括光。

早在18世紀末，英國哲學家、數(shù)學家約翰·米歇爾(John Michell)和法國著名科學家皮埃爾·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60年代，這些解都被認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找到了一個現(xiàn)實的解。

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位置——3C273距離地球如此之遠，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。

這些輻射源離我們如此之遠，其強度甚至相當于幾百個星系發(fā)出的光。這些天體被命名為“類星體”。天文學家很快就發(fā)現(xiàn)了更加遙遠、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獲得如此多的能量，只有一種方法——從墜入巨大黑洞的物質中獲取。

俘獲面

黑洞是否能在現(xiàn)實條件下形成是困擾Roger Penrose的一個問題。他后來回憶道，答案出現(xiàn)在1964年秋天，當時他正和一位同事在倫敦散步。Penrose當時是伯克貝克學院的數(shù)學教授。當他們暫時停下交談，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鍵，也是描述黑洞所需要的重要數(shù)學工具。

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彎曲。利用束縛表面，Penrose證明黑洞總是隱藏著一個奇點，即一個時間和空間的邊界。奇點的密度無限大，但到目前為止，還沒有理論能夠解釋這一物理學中最奇特的現(xiàn)象。

在Penrose對奇點定理的證明進行完善時，俘獲面成為一個中心概念。在如今有關彎曲宇宙的研究中，他所引入的拓撲方法發(fā)揮著重要的作用。

通向時間盡頭的單行道

一旦物質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。當幼蟲準備好展開翅膀時，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。水中的幼蟲永遠無法聽到水面之外大千世界的故事。

同樣地，所有物質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部，時間的流逝將所有事物推向不可避免的終點——奇點。如果你穿過事件視界，掉入一個超大質量黑洞，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)。在物理學定律范圍內，窺視黑洞內部是不可能的;黑洞的一切秘密都隱藏在它們的事件視界之內。

黑洞控制恒星的路徑

黑洞的形成 (左上) 黑洞橫截面 當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，所有路徑向內指。時間流將一切帶向黑洞最深處的奇點——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。當物質塌縮并形成黑洞時，穿過黑洞事件視界的光錐將向內朝奇點運動。外部的觀察者永遠不會真正看到光線到達事件視界。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，但我們仍可以通過觀察黑洞引導周圍恒星運動的巨大引力，來確定其特征。

Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自帶領著一個獨立的研究小組，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。紅外線望遠鏡和無線電技術首次讓天文學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量物體。黑洞是唯一可能的解釋。

聚焦中心

銀河系俯視圖。我們的銀河系狀似一張圓盤，直徑達到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。自從二十世紀六十年代初發(fā)現(xiàn)類星體以來，物理學家就推測，大多數(shù)大型星系(包括銀河系)的內部可能存在超大質量黑洞。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，天文學家發(fā)現(xiàn)那里有強大的無線電波源，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，銀河系內的所有恒星都圍繞其運行。

但一直到二十世紀九十年代，我們才有了更大的望遠鏡和更好的設備，可以對人馬座A*進行更為系統(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隊一起，開發(fā)和完善各自的技術，構建獨特的儀器并投身于長期的研究。

要觀測遙遠的恒星，就要用到世界上最大的望遠鏡——在天文學中，越大越好是一條絕對的真理。德國天文學家Reinhard Genzel和他的團隊最初使用的是新技術望遠鏡(NTT)，位于智利的拉西拉天文臺。后來，他們將觀測轉移到位于帕拉納爾山(也是在智利)的甚大望遠鏡(VLT)上。甚大望遠鏡擁有4臺8.2米口徑的望遠鏡，相當于新技術望遠鏡(3.58米)的兩倍以上，而這些望遠鏡的組合等效口徑可達16米。

在美國，Andrea Ghez和她的研究團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米的望遠鏡，是目前世界上最大的望遠鏡之一。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量黑洞。據(jù)估計，這個黑洞的質量約為太陽質量的400萬倍，而所有這些質量都擠壓在一個不比太陽系大多少的區(qū)域內。

左上：天文學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的速度達到最高的每秒7000公里

無論望遠鏡有多大，它們所能分辨的細節(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，能使光線在到達望遠鏡鏡面時發(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。

自適應光學技術的出現(xiàn)對天文觀測的改善至關重要。現(xiàn)在，望遠鏡上都安裝了一個額外的薄鏡片，用以補償空氣的湍流，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)和該進這項技術，采用更靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應光學元件，使圖像分辨率提高了1000倍以上?，F(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行(圖4)。

一顆被稱為S2(或S-O2)的恒星，在不到16年的時間內繞銀河系中心運行了一周。這是非常短的時間，因此天文學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一圈需要超過2億年的時間;換言之，當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

兩個小組的測量結果非常一致，他們得出的結論是：銀河系中心的黑洞質量應該相當于400萬倍太陽質量，被擠壓到一個太陽系大小的區(qū)域內。

我們或許很快就能看到人馬座A*的真面目了。就在一年前，事件視界望遠鏡天文網(wǎng)絡已經(jīng)成功拍攝到一個超大質量黑洞的圖像——事實上，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量黑洞構成的核心。

M87星系的核心黑洞非常巨大，質量是人馬座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測(取得該發(fā)現(xiàn)的科學家榮獲2017年諾貝爾物理學獎)。

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，但在奇點無限強大的引力下，這個理論不再適用。理論物理學領域正在進行大量的工作，以創(chuàng)建一個新的量子引力理論。這必須將物理學的兩大支柱——相對論和量子力學——結合起來，并在黑洞的內部的極端條件下相遇。

與此同時，天文學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家開辟了道路，使他們能夠對廣義相對論及其最奇異的預測進行精確的驗證。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。信號不好

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