五分鐘讀懂2020諾貝爾物理學獎:黑洞和銀河系最黑暗的秘密

2020年諾貝爾物理學獎揭曉：一半授予Roger Penrose，獲獎原因「發現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「發現銀河系中心的超大緻密物體」。三位物理學家分享了今年的諾貝爾物理學獎，因為他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——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象之一——黑洞的研究，而共享今年的諾貝爾物理學獎。Roger Penrose發明了巧妙的數學方法，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域。隨著精確度的提高，他們成功繪製了離銀河系中心最近的最亮恆星的軌道。兩組研究人員都發現，有一種看不見但很重的物體，促使這些恆星在周圍轉圈。

這個看不見的物質大約有400萬個太陽質量那麼重，但體積卻和我們的整個太陽系差不多。是什麼使得銀河系中心附近的恆星以如此驚人的速度旋轉呢？根據當前的引力理論，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也不認為黑洞會真的存在。但是，在愛因斯坦去世後十年，英國理論學家Roger Penrose證明，黑洞可以形成，並描述了它們的特徵。黑洞的中心隱藏著一個奇點，所有已知自然法則在這裡都不再適用。

為了證明黑洞的形成是一個穩定的過程，Penrose需要擴展用來研究相對論的方法，即使用新的數學概念來解決這一理論的問題。Penrose的突破性文章發表於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。自此之後，廣義相對論為所有的宇宙研究提供基礎，並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。引力也促使恆星從星際雲中的誕生，而最終恆星又在引力塌縮下死去。大質量物質會彎曲空間並減慢時間；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於廣義相對論發表後的數周。儘管該理論的數學方程式極其複雜，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。

後來的研究表明，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。對於相當於太陽質量的物質，事件視界的直徑大約為三公裡；而相當於地球質量的物質，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，黑洞是巨型恆星演化的自然終點。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恆星的劇烈坍縮。奧本海默後來領導了製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恆星耗盡燃料時，它們首先爆發成為超新星，然後坍縮成密度極高的殘骸，其質量之大，以致於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。

一個多世紀之後，愛因斯坦發表了廣義相對論，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，描述了恆星及其黑洞呈完美的圓形和對稱的理想狀態。但是，宇宙中沒有什麼是完美的，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）——的發現，黑洞是否存在的問題再次浮出水面。在近十年的時間裡，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。可見光輻射最終揭示了該類星體的真實位置——3C273距離地球如此之遠，以致於這些射線在超過10億年的時間裡都在朝著地球傳播。

這些輻射源離我們如此之遠，其強度甚至相當於幾百個星系發出的光。這些天體被命名為「類星體」。天文學家很快就發現了更加遙遠、在宇宙早期就已經發出輻射的類星體。這種令人難以置信的輻射來自哪裡？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

黑洞是否能在現實條件下形成是困擾Roger Penrose的一個問題。他後來回憶道，答案出現在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，一個想法突然出現在他的腦海裡。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

一旦物質開始塌縮並形成俘獲面，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。但是一旦幼蟲真的衝出水面，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。然後，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。在物理學定律範圍內，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。

黑洞控制恆星的路徑

黑洞的形成 （左上） 黑洞橫截面 當一顆巨大的恆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——在這裡，密度是無限的，時間也止於此。（右下） 光錐表示光線在時間上向前和向後的路徑。當物質塌縮並形成黑洞時，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。之後的就沒有人能看到。

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恆星運動的巨大引力，來確定其特徵。

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域。我們的銀河系狀似一張圓盤，直徑達到10萬光年，其中有雲氣和塵埃，以及幾千億顆恆星；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恆星。

Genzel和Ghez循著恆星的運行軌道，提出迄今為止最有說服力的證據：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。銀河系的漩渦臂由雲氣和塵埃以及幾千億顆恆星組成；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現類星體以來，物理學家就推測，大多數大型星系（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。在後來的觀測中，天文學家發現那裡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，人們發現人馬座A*佔據了銀河系中心，銀河系內的所有恆星都圍繞其運行。

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雲觀察銀河系的中心。他們和自己的研究團隊一起，開發和完善各自的技術，構建獨特的儀器並投身於長期的研究。

要觀測遙遠的恆星，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），位於智利的拉西拉天文臺。後來，他們將觀測轉移到位於帕拉納爾山（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，相當於新技術望遠鏡（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於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

這些恆星的軌道表明，在銀河系的中心區域，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恆星：這兩顆恆星的軌道是迄今為止最令人信服的證據，證明在人馬座A*中隱藏著一個超大質量黑洞。據估計，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域內。

左上：天文學家測量了銀河系中心人馬座A*附近一些恆星的軌道；右上：對其中一顆恆星S2（或稱S-02），天文學家成功繪製了其完整的軌道，發現其圍繞銀河系中心的周期不到16年。該恆星最靠近人馬座A*時，距離僅為大約17光時（100億公裡以上）。左下：S2的徑向速度會隨著其接近人馬座A*而增加，並隨其在橢圓形軌道上的運行而逐漸下降。徑向速度是恆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，恆星S2的速度達到最高的每秒7000公裡。

無論望遠鏡有多大，它們所能分辨的細節總是有限的，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對天文觀測的改善至關重要。現在，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，並校正扭曲的圖像。

近三十年來，Reinhard Genzel和Andrea Ghez一直在銀河系中心的恆星群中追蹤某些恆星。他們繼續開發和該進這項技術，採用更靈敏的數字光傳感器和更好的自適應光學元件，使圖像解析度提高了1000倍以上。現在，他們可以更精確地確定恆星的位置，並在夜間跟蹤它們。

研究人員追蹤了這群恆星中30顆最亮的恆星。這些恆星在距離中心一個「光月」的半徑內移動得最快。另一方面，這一區域以外的恆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）的恆星，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製出它的整個軌道。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於400萬倍太陽質量，被擠壓到一個太陽系大小的區域內。

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絡已經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後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（取得該發現的科學家榮獲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，並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的開創性工作為新一代天文學家開闢了道路，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，並揭示宇宙中更多的秘密和驚喜。