黑洞是時空的迷宮,無論是物質還是光線都無法逃脫。其巨大的質量、近乎於點的體積、吞噬一切的引力和無限大的時空曲率,吸引著人類一百多年來持續的探索。
今年的諾貝爾物理學獎授予了三位科學家在黑洞研究方面的工作,引起了天文學的轟動。當地時間10月6日,瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布,將2020年諾貝爾物理學獎的一半授予羅傑·彭羅斯(Roger Penrose),另一半授予雷因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和安德裡亞·格茲(Andrea Ghez),以表彰他們發現了「黑洞」。
法國天體物理學家、法國國家科學研究中心(CNRS)主任讓-皮埃爾·盧米涅(Jean-Pierre Luminet)教授對第一財經記者表示:「黑洞能獲得諾貝爾獎真是個太大的驚喜了!這對於宇宙科學來說是一個很好的信號,在瑞典科學院看來,宇宙科學似乎『風起雲湧』!」
100年前,愛因斯坦廣義相對論提出後不久,便有科學家探討了黑洞周圍的光線彎曲現象。盧米涅教授等人研究分析了克爾黑洞(Kerr black hole),並計算出黑洞的自轉如何影響事件視界投影的形狀,模擬出首張黑洞的圖像。2019年4月,科學家發布了銀河系M87中心的巨大黑洞的第一張望遠鏡照片,提供了黑洞存在的直接「視覺」證據。
盧米涅教授在40年前繪製了人類首張黑洞圖片,這張圖片與去年發布的黑洞真實圖片驚人相似。他表示,現年86歲的紐西蘭天體物理學家羅伊·克爾(Roy Kerr)在1963年發現了描述旋轉黑洞的廣義相對論方程的精確解,對2019年4月發表的人類歷史上第一張黑洞照片也有重要貢獻。
去年諾貝爾物理獎獲得者米歇爾·馬約爾(Michel Mayor)教授對第一財經記者表示:「天體物理學未來幾年還將引來非常激動人心的發現,並有望繼續成為諾貝爾獎的主題,比如銀河系中黑洞的影像圖。」
歐洲南方天文臺(ESO)榮譽天文學家迪特裡希·巴德(Dietrich Baade)教授也對第一財經記者表示:「黑洞圖像值得獲得諾貝爾獎。」巴德教授團隊今年發現了迄今為止離地球最近的黑洞,他還準確預測了黑洞的發現有望獲得今年諾貝爾物理學獎,並準確預測了德國馬普所的萊因哈特·根策爾(Reinhard Genzel)教授有望獲獎。
巴德教授解釋說,今年諾貝爾物理學獎獲得者裡卡爾多·賈科尼(Riccardo Giacconi)教授引入了與哈勃太空望遠鏡相同的觀測模式來觀測黑洞,「根據這種模式的觀測計劃是革命性的,ESO是第一個大規模提供這種觀測的主要觀測站。」
2013年起,ESO開始打造世界上最大型的光學望遠鏡「歐洲極大望遠鏡」(E-ELT)。該望遠鏡位於智利北部的山上,能夠觀察到恆星周圍的行星和黑洞等,預計2022年完成,投入超過10億歐元。
科學家希望藉此觀察到黑洞的形成、其他宇宙間的物質形成,以及太陽系之外的行星。巴德教授等天文學家今年5月發現了一顆4.2倍太陽質量的小黑洞,這顆黑洞位於三星系統中,距離地球1000光年,是迄今為止人類發現的最近黑洞,這也是人類肉眼能夠看到的黑洞系統。該結果發表在了《天文與天體物理》雜誌上。
巴德教授告訴記者,通過技術的發展,未來人類還將發現更多黑洞。「通過尋找光學對應物的方法來發現黑洞的方法看起來不太可能,因為現在的X射線源的數量似乎相對完整,而且這些射線源通常距離很遠,並且銀河系大量的灰塵會吸收光源,因此不利於觀測。」巴德教授表示:「我們必須以另一種方式進行黑洞的觀測,也就是利用黑洞與其他物質相互作用的方式,即以雙星形式圍繞黑洞周圍發光恆星的軌道運動進行搜尋。」
他還表示,中科院國家天文臺的「郭守敬望遠鏡」(LAMOST)正在進行一項針對此類來源的重要觀測,很有希望能夠找到更多的黑洞,「近年來,天體物理學在空間、時間、質量和能量的大規模發現和解釋各種現象方面取得巨大的進步。但這些都是受益於對觀測設施的大量投資。」
巴德教授認為,如果再建一個帶有光纖鏈路的具有公裡級幹涉能力的歐洲極大望遠鏡(ELT)將會非常有用,功率更大的探測器網絡與天基引力波天文臺LISA結合使用也有助於在觀測上實現新的突破,下一代的大型巡天望遠鏡(LSST)和中微子觀測站也都是天體物理發展的重要觀測工具。