諾貝爾物理學獎解讀:揭開銀河系中心最黑暗的秘密

錢德拉X射線望遠鏡拍攝的銀河系中心超大質量黑洞　

太陽系與人馬座A*在銀河系中的位置

中國航空報訊：2020年的諾貝爾物理學獎授予了英國理論物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）與德國天文學家賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）、美國天文學家安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）。

在之前，大眾通過彭羅斯親筆撰寫的文章，了解了他在黑洞理論領域的工作。如果說彭羅斯的工作為我們認識黑洞提供了理論基礎，那麼另外兩位獲獎者根策爾和蓋茲則是直接觀測到銀河系中央的超大質量天體——這很可能是一顆超大質量黑洞。

我們無法直接觀測到黑洞，但通過其巨大的引力，我們可以間接感知這種神秘天體的存在。根策爾和蓋茲就領導獨立的研究團隊，分別對銀河系中心進行了探索。直徑10萬光年的銀河系如同一個近乎平坦的圓盤，包含了數千億顆恆星以及大量星際間的氣體、塵埃。當我們從地球上向銀河系中心看去，這些氣體、塵埃阻擋了絕大多數的可見光。因此，天文學家通過紅外及射電望遠鏡，觀測到了銀河系中心恆星的最早圖像。

利用這些恆星的軌道作為指引，根策爾和蓋茲找到了銀河系中心有超大質量天體存在的確鑿證據。而超大質量黑洞，是其中一種可能的解釋。

指向銀河系中心在半個多世紀前，天文學家就猜測，銀河系中心可能有黑洞存在。在1962年發現類星體之後，天文學家認為，在大多數大型星系內部，都應該有超大質量黑洞，這自然也包括我們所在的銀河系。但在當時，沒有人能夠解釋，這些星系與其中那些少則數百萬，多則數十億倍太陽質量的黑洞，是如何形成的。

100年前，美國天文學家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）首次推算出了銀河系中心的位置，位於人馬座方向。隨後的天文學觀測在那片區域發現了一處強烈的射電源，並將其命名為人馬座A*。在上世紀60年代末，人們已經知道，人馬座A*佔據了銀河系的中心位置，星系中的所有恆星都圍繞其運行。

直到20世紀90年代，隨著天文望遠鏡及其他設備的發展，天文學家得以對人馬座A*進行更系統的研究。根策爾和蓋茲分別啟動研究項目，試圖透過塵埃和氣體，看見銀河系中心的圖像。

在天文學中，「越大越好」是絕對的真理。只有最大的天文望遠鏡，才能捕捉到遙遠恆星的畫面。德國的根策爾團隊最初使用的是位於智利La Silla天文臺的新技術望遠鏡（New Technology Telescope，NTT），隨後，他們轉而使用了同樣位於智利，性能更強的甚大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）。VLT由4臺大型望遠鏡組成，每一臺的體型都相當於NTT的兩倍。VLT還擁有全世界最大的單一鏡面，每一面的直徑都超過8米。

而在美國，蓋茲帶領的研究團隊使用位於夏威夷冒納凱阿火山的凱克天文臺（Keck Observatory），其鏡面直徑接近10米，同樣位於全球前列。這個鏡面形狀如同蜂巢，由36塊六邊形的鏡面部件組成，它們可以獨立移動方向，從而更好地聚焦光線。

恆星指路我們住在一片將近100千米深的大氣「海洋」之下，受大氣層的影響，不論望遠鏡有多大，它們看到的細節總會受到限制。如果大氣層中某些區域的溫度與周圍不一致，它們就會像透鏡一樣，扭曲通往望遠鏡的光線。這就解釋了為什麼星星會「眨眼」，為什麼我們對星星的成像如此模糊。

自適應光學（adaptive optics）的出現，對改良觀測結果極其重要。如今，望遠鏡有了一層額外的薄鏡，可以自動對空氣中的不穩定因素進行補償，從而矯正扭曲的圖像。

在將近30年時間裡，根策爾與蓋茲一直追隨著銀河系中央繁星中，他們各自感興趣的那些恆星。他們逐漸發展、改善觀測技術，搭配上越來越敏感的電子光線傳感器和自適應光學設備，使得圖像的解析度提升了一千倍有餘。現今，這些設備已能更精確地判斷恆星的位置，夜復一夜地跟蹤它們的軌跡。

研究人員在眾多恆星中選出了三十多顆最亮的。這些恆星在距離銀河系中央1/12光年的範圍內高速移動，如同蜂群般翩翩起舞。與之相比，在這個圓周之外的恆星則更守規矩，循著它們各自的橢圓形軌道移動。

其中一顆叫「S2」（或「S-O2」）的恆星，用不到16年的時間圍繞銀河系中央的軌道完成了一次周轉。在這樣一個極短的時長內，天文學家得以畫出完整的軌道地圖。我們可以把這個環繞時長與太陽的相比：太陽圍繞銀河中心完成整個環繞需要2億年；在如今這一輪環繞的開端之初，恐龍還在我們的地球上漫步呢。

理論與觀察結合兩組觀測結果十分吻合，研究人員因此得出結論：在我們的星系中很可能存在著一個約為400萬個太陽質量、近似於太陽系體積的黑洞。

下一步，我們將要對人馬座A*進行直接觀測。就在去年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）天文學網絡成功對一個超大質量黑洞的周圍進行了成像。在距我們5500萬光年的M87星系中央，坐落著一個由一圈火環圍繞著的黑洞。

M87星系中央的黑洞規模驚人，質量是人馬座A*的1000倍有餘。而近期觀測到的引力波，成因是兩個黑洞的相撞——這兩個黑洞相比起M87星系中央的黑洞要輕得多。與黑洞一樣，引力波也一度只存在於愛因斯坦的廣義相對論中，而無法直接觀測到。直到2015年秋，美國的LIGO探測器才第一次捕捉到它的身影。引力波的發現摘得了2017年的諾貝爾物理學獎。

而對於黑洞，看上去天文學家也在逐漸接近答案。根策爾和蓋茲的開創性工作為其他天文學家指明了道路，使得他們能夠精確驗證廣義相對論及其最奇特的預測。這些研究工作也將為新的理論提供線索，揭示隱藏在宇宙中的更多秘密。

錢德拉X射線望遠鏡拍攝的銀河系中心超大質量黑洞　

太陽系與人馬座A*在銀河系中的位置

中國航空報訊：2020年的諾貝爾物理學獎授予了英國理論物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）與德國天文學家賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）、美國天文學家安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）。

在之前，大眾通過彭羅斯親筆撰寫的文章，了解了他在黑洞理論領域的工作。如果說彭羅斯的工作為我們認識黑洞提供了理論基礎，那麼另外兩位獲獎者根策爾和蓋茲則是直接觀測到銀河系中央的超大質量天體——這很可能是一顆超大質量黑洞。

我們無法直接觀測到黑洞，但通過其巨大的引力，我們可以間接感知這種神秘天體的存在。根策爾和蓋茲就領導獨立的研究團隊，分別對銀河系中心進行了探索。直徑10萬光年的銀河系如同一個近乎平坦的圓盤，包含了數千億顆恆星以及大量星際間的氣體、塵埃。當我們從地球上向銀河系中心看去，這些氣體、塵埃阻擋了絕大多數的可見光。因此，天文學家通過紅外及射電望遠鏡，觀測到了銀河系中心恆星的最早圖像。

利用這些恆星的軌道作為指引，根策爾和蓋茲找到了銀河系中心有超大質量天體存在的確鑿證據。而超大質量黑洞，是其中一種可能的解釋。

指向銀河系中心在半個多世紀前，天文學家就猜測，銀河系中心可能有黑洞存在。在1962年發現類星體之後，天文學家認為，在大多數大型星系內部，都應該有超大質量黑洞，這自然也包括我們所在的銀河系。但在當時，沒有人能夠解釋，這些星系與其中那些少則數百萬，多則數十億倍太陽質量的黑洞，是如何形成的。

100年前，美國天文學家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）首次推算出了銀河系中心的位置，位於人馬座方向。隨後的天文學觀測在那片區域發現了一處強烈的射電源，並將其命名為人馬座A*。在上世紀60年代末，人們已經知道，人馬座A*佔據了銀河系的中心位置，星系中的所有恆星都圍繞其運行。

直到20世紀90年代，隨著天文望遠鏡及其他設備的發展，天文學家得以對人馬座A*進行更系統的研究。根策爾和蓋茲分別啟動研究項目，試圖透過塵埃和氣體，看見銀河系中心的圖像。

在天文學中，「越大越好」是絕對的真理。只有最大的天文望遠鏡，才能捕捉到遙遠恆星的畫面。德國的根策爾團隊最初使用的是位於智利La Silla天文臺的新技術望遠鏡（New Technology Telescope，NTT），隨後，他們轉而使用了同樣位於智利，性能更強的甚大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）。VLT由4臺大型望遠鏡組成，每一臺的體型都相當於NTT的兩倍。VLT還擁有全世界最大的單一鏡面，每一面的直徑都超過8米。

而在美國，蓋茲帶領的研究團隊使用位於夏威夷冒納凱阿火山的凱克天文臺（Keck Observatory），其鏡面直徑接近10米，同樣位於全球前列。這個鏡面形狀如同蜂巢，由36塊六邊形的鏡面部件組成，它們可以獨立移動方向，從而更好地聚焦光線。

恆星指路我們住在一片將近100千米深的大氣「海洋」之下，受大氣層的影響，不論望遠鏡有多大，它們看到的細節總會受到限制。如果大氣層中某些區域的溫度與周圍不一致，它們就會像透鏡一樣，扭曲通往望遠鏡的光線。這就解釋了為什麼星星會「眨眼」，為什麼我們對星星的成像如此模糊。

自適應光學（adaptive optics）的出現，對改良觀測結果極其重要。如今，望遠鏡有了一層額外的薄鏡，可以自動對空氣中的不穩定因素進行補償，從而矯正扭曲的圖像。

在將近30年時間裡，根策爾與蓋茲一直追隨著銀河系中央繁星中，他們各自感興趣的那些恆星。他們逐漸發展、改善觀測技術，搭配上越來越敏感的電子光線傳感器和自適應光學設備，使得圖像的解析度提升了一千倍有餘。現今，這些設備已能更精確地判斷恆星的位置，夜復一夜地跟蹤它們的軌跡。

研究人員在眾多恆星中選出了三十多顆最亮的。這些恆星在距離銀河系中央1/12光年的範圍內高速移動，如同蜂群般翩翩起舞。與之相比，在這個圓周之外的恆星則更守規矩，循著它們各自的橢圓形軌道移動。

其中一顆叫「S2」（或「S-O2」）的恆星，用不到16年的時間圍繞銀河系中央的軌道完成了一次周轉。在這樣一個極短的時長內，天文學家得以畫出完整的軌道地圖。我們可以把這個環繞時長與太陽的相比：太陽圍繞銀河中心完成整個環繞需要2億年；在如今這一輪環繞的開端之初，恐龍還在我們的地球上漫步呢。

理論與觀察結合兩組觀測結果十分吻合，研究人員因此得出結論：在我們的星系中很可能存在著一個約為400萬個太陽質量、近似於太陽系體積的黑洞。

下一步，我們將要對人馬座A*進行直接觀測。就在去年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）天文學網絡成功對一個超大質量黑洞的周圍進行了成像。在距我們5500萬光年的M87星系中央，坐落著一個由一圈火環圍繞著的黑洞。

M87星系中央的黑洞規模驚人，質量是人馬座A*的1000倍有餘。而近期觀測到的引力波，成因是兩個黑洞的相撞——這兩個黑洞相比起M87星系中央的黑洞要輕得多。與黑洞一樣，引力波也一度只存在於愛因斯坦的廣義相對論中，而無法直接觀測到。直到2015年秋，美國的LIGO探測器才第一次捕捉到它的身影。引力波的發現摘得了2017年的諾貝爾物理學獎。

而對於黑洞，看上去天文學家也在逐漸接近答案。根策爾和蓋茲的開創性工作為其他天文學家指明了道路，使得他們能夠精確驗證廣義相對論及其最奇特的預測。這些研究工作也將為新的理論提供線索，揭示隱藏在宇宙中的更多秘密。