科普｜他們「看到」了黑洞——解讀2020年諾貝爾物理學獎成果

新華社北京10月6日電（記者羅國芳）2020年諾貝爾物理學獎頒發給了三位獲獎者，因為「他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞」。

英國物理學家羅傑·彭羅斯證明黑洞是廣義相對論的直接產物。德國科學家賴因哈德·根策爾和美國科學家安德烈婭·蓋茲則發現，在我們銀河系的中心，有一個看不見的、質量極大的天體控制著周邊恆星的軌道，目前對這個天體的唯一解釋就是一個超大質量黑洞。

10月6日，在瑞典斯德哥爾摩，瑞典皇家科學院公布2020年諾貝爾物理學獎獲得者。（新華社發，魏學超攝）

愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統的空間和時間概念。他的方程式預言了黑洞的存在：大質量的天體會使空間彎曲、時間減慢，一個超大質量的天體甚至能吞噬光線，從而形成一片「絕對黑暗」的空間，這就是黑洞。值得一提的是，愛因斯坦本人並不相信黑洞真的可以存在。

然而，在愛因斯坦去世10年後，彭羅斯用巧妙的數學方法論證了黑洞可以形成，並對其進行了詳細描述：在黑洞的核心隱藏著一個奇點，它的時空曲率無窮大，密度也趨於無限大。一旦物質開始坍縮，就沒有什麼能阻止坍縮的繼續，所有物質只能沿一個方向走向奇點。這是一條通往時間盡頭的「單行道」。

彭羅斯這篇開創性的論文發表於1965年1月，至今仍被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻。現在，黑洞的中心存在奇點已成為科學界的普遍認識。

黑洞引力非常強大，甚至連光線也無法逃逸，沒有光線射出的邊界稱為「事件視界」。直接窺視黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的事件視界內。但是，星星為孜孜以求的科學家們指明了方向。

由歐洲南方天文臺(ESO)2011年12月14日提供的圖片顯示，一團氣體雲正接近銀河系中心的黑洞。（新華社/EPA歐新）

利用恆星的軌道作為嚮導，根策爾和蓋茲提出了迄今最有說服力的證據，證明銀河系中心隱藏著一個看不見的超大質量天體。

100年前，美國天文學家哈洛·沙普利首先確定了銀河系的中心，即射手座（又稱人馬座）方向。但直到20世紀90年代，隨著更大、更先進的天文觀測設備出現，科學家們才得以對銀河系中心進行更系統的研究。

根策爾和蓋茲分別領導一個研究小組，自上世紀90年代初以來一直試圖透過塵埃雲觀測銀河系中央一個名為「射手座A*」的區域。根策爾小組最初使用位於智利的新技術望遠鏡（NTT），而後使用位於智利帕拉納爾山上的甚大望遠鏡（VLT）。而蓋茲小組則使用位於美國夏威夷冒納凱阿山上的凱克天文臺。

近30年來，根策爾和蓋茲的團隊不斷完善觀測技術，追蹤觀測區域內眾多恆星中一批最亮恆星的運動軌跡。其中一顆恆星在不到16年的時間內完成了圍繞星系中心的完整運行，科學家們得以繪製出它的完整軌道。

兩個研究團隊在數十年如一日的觀測後得出一致結論：銀河系中心存在一個質量非常大且看不見的天體，在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質量，使周邊恆星急速旋轉。對這個看不見的天體，目前唯一合理的解釋就是它是一個黑洞。

這是2019年4月10日發布的人類史上首張黑洞照片。（新華社發，事件視界望遠鏡項目組供圖）

2019年4月10日，由全球8臺射電望遠鏡組合而成的「事件視界望遠鏡」項目拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片。被拍到的這個黑洞位於一個名為M87的星系中央，其質量是太陽的65億倍。在不久的將來，銀河系中央的黑洞「真容」可能也會顯露。

諾貝爾物理學獎評委會主席戴維·哈維蘭德在頒獎儀式上表示，今年獲獎者們的發現為研究緻密和超大質量天體開闢了新天地。但這些奇特的物體仍然提出了許多有待進一步解答的問題，並激發未來的研究。他說：「不僅有關於它們內部結構的問題，還有關於如何在緊鄰黑洞的極端條件下測試我們的引力理論的問題。」