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一文读懂 2020 诺贝尔物理学奖：超越爱因斯坦的突破，黑洞和银河系最黑暗的秘密



一个俘获面会迫使所有光线指向一个中心，不管表面是向外还是向内弯曲。利用束缚表面，Penrose 证明黑洞总是隐藏着一个奇点，即一个时间和空间的边界。奇点的密度无限大，但到目前为止，还没有理论能够解释这一物理学中最奇特的现象。

在 Penrose 对奇点定理的证明进行完善时，俘获面成为一个中心概念。在如今有关弯曲宇宙的研究中，他所引入的拓扑方法发挥着重要的作用。

通向时间尽头的单行道

一旦物质开始塌缩并形成俘获面，塌缩就再也没有可能停止。正如物理学家兼诺贝尔奖得主 Subrahmanyan Chandrasekhar 讲述的故事中所言，没有回头路。他的这个故事讲的是蜻蜓和其生活在水面下的幼虫。当幼虫准备好展开翅膀时，它向周围的同伴承诺，会回来向它们讲述水面上的大千世界。但是一旦幼虫真的冲出水面，如蜻蜓一般飞舞后，它就再也回不去了。水中的幼虫永远无法听到水面之外大千世界的故事。



同样地，所有物质也只能沿一个方面穿越黑洞的事件视界。然后，时间取代空间，所有可能的路径都指向内部，时间的流逝将所有事物推向不可避免的终点——奇点。如果你穿过事件视界，掉入一个超大质量黑洞，你不会有任何感觉。但是从黑洞的外边，没有人会看到你跌入其中，而你的旅程会一直继续。在物理学定律范围内，窥视黑洞内部是不可能的；黑洞的一切秘密都隐藏在它们的事件视界之内。

黑洞控制恒星的路径


黑洞的形成 （左上）

黑洞横截面 当一颗巨大的恒星在自身引力作用下塌缩时，它会形成一个质量很大的黑洞，捕获穿越其事件视界的一切东西。哪怕是光都无法逃离黑洞。在事件视界中，时间取代空间，所有路径向内指。时间流将一切带向黑洞最深处的奇点——在这里，密度是无限的，时间也止于此。（右下） 光锥表示光线在时间上向前和向后的路径。当物质塌缩并形成黑洞时，穿过黑洞事件视界的光锥将向内朝奇点运动。外部的观察者永远不会真正看到光线到达事件视界。他们看到的，只是光线接近事件视界。之后的就没有人能看到。

即便我们看不见黑洞，但我们仍可以通过观察黑洞引导周围恒星运动的巨大引力，来确定其特征。

Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 各自带领着一个独立的研究小组，以探索我们的银河系中心区域。我们的银河系状似一张圆盘，直径达到 10 万光年，其中有云气和尘埃，以及几千亿颗恒星；其中之一就是我们的太阳。我们从地球上望去，巨大的星际气体和尘埃遮挡了大部分来自银河系中心的可见光芒。红外线望远镜和无线电技术首次让天文学家得以穿越这些障碍，观测到银河系中心的恒星。

Genzel 和 Ghez 循着恒星的运行轨道，提出迄今为止最有说服力的证据：银河系中心隐藏着一个看不见的超大质量物体。黑洞是唯一可能的解释。

聚焦中心


图 3：银河系俯视图。我们的银河系状似一张圆盘，直径达到 10 万光年。银河系的漩涡臂由云气和尘埃以及几千亿颗恒星组成；其中之一就是我们的太阳。

五十多年来，物理学家一直在怀疑，银河系的中心可能存在一个黑洞。自从二十世纪六十年代初发现类星体以来，物理学家就推测，大多数大型星系（包括银河系）的内部可能存在超大质量黑洞。但是，目前尚无人能解释，星系和它们的黑洞，到底是如何形成的。

一百年前，美国天文学家 Harlow Shapley 率先确定了银河系的中心，指向人马座。在后来的观测中，天文学家发现那里有强大的无线电波源，他们把这个无线电波源称为 “人马座 A*”。等到二十世纪六十年代末，人们发现人马座 A * 占据了银河系中心，银河系内的所有恒星都围绕其运行。

但一直到二十世纪九十年代，我们才有了更大的望远镜和更好的设备，可以对人马座 A * 进行更为系统的研究。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 分别启动了各自的项目，试图透过厚厚的尘埃云观察银河系的中心。他们和自己的研究团队一起，开发和完善各自的技术，构建独特的仪器并投身于长期的研究。

要观测遥远的恒星，就要用到世界上最大的望远镜——在天文学中，越大越好是一条绝对的真理。德国天文学家 Reinhard Genzel 和他的团队最初使用的是新技术望远镜（NTT），位于智利的拉西拉天文台。后来，他们将观测转移到位于帕拉纳尔山（也是在智利）的甚大望远镜（VLT）上。甚大望远镜拥有 4 台 8.2 米口径的望远镜，相当于新技术望远镜（3.58 米）的两倍以上，而这些望远镜的组合等效口径可达 16 米。

在美国，Andrea Ghez 和她的研究团队使用了位于夏威夷莫纳克亚山的凯克天文台。该天文台拥有两座口径约 10 米的望远镜，是目前世界上最大的望远镜之一。每面镜片都像一个蜂巢，由 36 个六边形的部分组成，可以单独控制，以更好地聚焦星光。

星星指路



这些恒星的轨道表明，在银河系的中心区域，某种无形而沉重的东西控制着它们的轨道。

最靠近银河系中心的恒星

这两颗恒星的轨道是迄今为止最令人信服的证据，证明在人马座 A * 中隐藏着一个超大质量黑洞。据估计，这个黑洞的质量约为太阳质量的 400 万倍，而所有这些质量都挤压在一个不比太阳系大多少的区域内。

左上：天文学家测量了银河系中心人马座 A * 附近一些恒星的轨道；

右上：对其中一颗恒星 S2（或称 S-02），天文学家成功绘制了其完整的轨道，发现其围绕银河系中心的周期不到 16 年。该恒星最靠近人马座 A * 时，距离仅为大约 17 光时（100 亿公里以上）。

左下：S2 的径向速度会随着其接近人马座 A * 而增加，并随其在椭圆形轨道上的运行而逐渐下降。径向速度是恒星速度在我们视线上的分量。

右下：在最靠近人马座 A*（2002 年和 2018 年）时，恒星 S2 的速度达到最高的每秒 7000 公里

无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节总是有限的，因为在我们上方，是将近 100 千米厚的大气层。望远镜上方的大气泡往往比周围环境的温度更高或更低，它们就像透镜，能使光线在到达望远镜镜面时发生折射，从而扭曲了光波。这就是星星闪烁的原因，也是星空图像模糊的原因。

自适应光学技术的出现对天文观测的改善至关重要。现在，望远镜上都安装了一个额外的薄镜片，用以补偿空气的湍流，并校正扭曲的图像。

近三十年来，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 一直在银河系中心的恒星群中追踪某些恒星。他们继续开发和改进这项技术，采用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学元件，使图像分辨率提高了 1000 倍以上。现在，他们可以更精确地确定恒星的位置，并在夜间跟踪它们。

研究人员追踪了这群恒星中 30 颗最亮的恒星。这些恒星在距离中心一个 “光月”的半径内移动得最快。另一方面，这一区域以外的恒星则更有序地沿着它们的椭圆轨道运行（图 4）。

一颗被称为 S2（或 S-O2）的恒星，在不到 16 年的时间内绕银河系中心运行了一周。这是非常短的时间，因此天文学家能够绘制出它的整个轨道。我们可以拿太阳来比较，太阳绕银河系中心转一圈需要超过 2 亿年的时间；换言之，当我们目前这一圈刚刚开始时，恐龙还在地球上行走。
理论与观测相辅相成

两个小组的测量结果非常一致，他们得出的结论是：银河系中心的黑洞质量应该相当于 400 万倍太阳质量，被挤压到一个太阳系大小的区域内。

我们或许很快就能看到人马座 A * 的真面目了。就在一年前，事件视界望远镜天文网络已经成功拍摄到一个超大质量黑洞的图像——事实上，我们看到的是它周围最邻近的环境。在距离我们 5500 万光年的室女 A 星系（又称 M87 星系）中，存在着一个由超大质量黑洞构成的核心。

M87 星系的核心黑洞非常巨大，质量是人马座 A * 的 1000 多倍。相比之下，近年来许多引力波事件背后的碰撞黑洞要轻得多。和黑洞一样，在 2015 年秋天被美国的 LIGO 探测器第一次捕获引力波信号之前，这种时空涟漪只是爱因斯坦广义相对论的理论预测（取得该发现的科学家荣获 2017 年诺贝尔物理学奖）。

未解的谜题

Roger Penrose 的工作揭示了黑洞是广义相对论的直接推论，但在奇点无限强大的引力下，这个理论不再适用。理论物理学领域正在进行大量的工作，以创建一个新的量子引力理论。这必须将物理学的两大支柱——相对论和量子力学——结合起来，并在黑洞的内部的极端条件下相遇。

与此同时，天文学家也越来越接近黑洞，试图更近距离地展开观测。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 的开创性工作为新一代天文学家开辟了道路，使他们能够对广义相对论及其最奇异的预测进行精确的验证。这些测量和验证工作很可能为新的理论见解提供线索，并揭示宇宙中更多的秘密和惊喜。

来源：新浪科技

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