黑洞為什麼能獲得2020年諾貝爾獎？它是怎樣被證明的？

2020年度諾貝爾物理學獎頒發給了三位對證明黑洞存在做出傑出貢獻的科學家，其中一位是在純理論上證明了黑洞的存在，他就是與霍金共同證明過奇性定理的英國物理學家羅傑·彭羅斯。另外兩位則是在觀測中發現銀河系中心存在超大質量不可見天體的天文學家萊因哈德·根策爾和安德莉婭·蓋茲。

這可謂是理論與觀測齊飛。而作為廣義相對論最難證明的預言之一，黑洞的身份算是被正式承認了，雖然在頒獎理由中，對銀河系中心天體並沒有使用「黑洞」這個名稱，而是使用「超大質量的緻密天體」這種描述，但在給彭羅斯的頒獎理由中是非常明確的用了「黑洞」這個詞。

那麼為什麼諾貝爾獎委員會會在這個時候才承認黑洞這個已經被主流科學家承認多年的天體？很明顯是與近年爆發式的各種黑洞相關的重大天文發現有關，這些來自各種觀測手段，各個觀測團隊的觀測結果都不容置疑地證明了黑洞的真實存在！所以我們下面來盤點一下這些年我們一起看到過的黑洞。

天鵝座X-1射線源

這是最早發現黑洞的間接證據了，上世紀60年代中期，天文學家在天鵝座發現了6000光年外一個不斷發射X射線的雙星系統，根據觀測確定它們其中之一是一顆質量為20-40倍太陽質量的恆星，按照其光度，它不會是X射線的發射源，而X射線源一個是它的伴星，但這顆伴星幾乎是不可見的，但根據軌道運動推測其質量約為太陽的8.7倍，但這顆伴星在可見光和無線電波段都基本上不可見，這樣的質量在可見光波段卻不可見，科學家由此判斷它是一個緻密天體，當時理論上已知的緻密天體有白矮星、中子星和黑洞，按照其8.7倍的太陽質量，理論上判斷是一個黑洞。據說霍金為此與好友基普·索恩（稍後還有他，這裡不做介紹）打賭，霍金故意說那裡不是黑洞，這樣他如果贏了，就獲得賭注，如果輸了，他畢生研究的黑洞就被證明存在，他同時會成為最大的贏家！精明的霍金最後承認輸掉了賭局，而自己則成為了黑洞研究的第一權威。

銀河系中心超大質量不可見天體

雖然天鵝座X-1被霍金以承認落敗的方式宣告為黑洞，但畢竟那不是一個非常有力的直接證據，因此，在很長時間裡，人們都依然認為黑洞尚未被證實。在幾年前，還有很多人持這樣的觀點，不過我那時就指出，黑洞已經被觀測證實了！不是天鵝座X射線源，而是銀河系中心黑洞！

早在上世紀70年代中期，天文學家就通過射電望遠鏡確定了銀河系中心存在一個較強的射電源，因處在人馬座裡面，因此標記為人馬座A*（Sgr A*）。科學家估計那裡是一個黑洞，但由於銀河系中心附近與地球之間存在大量的星際塵埃，可見光輻射很難穿透出來，對進一步的觀測造成極大的困難。

直到20年後的1995年，有兩個研究團隊同時開展對銀心（銀河系中心）射電源人馬座A*的觀測，以確定其天體性質。這兩個團隊就是今年共同獲得諾貝爾物理學獎的根策爾和蓋茲團隊。

由於無法通過可見光進行觀測，蓋茲選擇了最接近可見光的紅外波段進行觀測，紅外波段是能通過光學望遠鏡進行觀測的最長波段，通過大口徑的光學望遠鏡可以獲得人馬座A*周圍恆星的光譜，而蓋茲使用的是位於夏威夷莫納克亞山上10米口徑的凱克望遠鏡。獲得恆星光譜後，就可以利用光譜分析法獲得恆星視向速度（又稱徑向速度）的精確數據。

利用凱克望遠鏡，她很快發現了一顆短周期的恆星，編號為S0-2，據觀測分析它的公轉周期約為16年，沿一個橢圓軌道繞中心一個不可見的天體（人馬座A*）公轉。當它在2002年經過近心點時，距離中心的人馬座A*僅120個天文單位（1個天文單位=太陽到地球的平均距離，約為1.5億公裡），而最快時其運動速度高達5000km/s,蓋茲團隊據此推算出其中心天體人馬座A*的質量約為太陽質量的400萬倍（這個質量值前後改過好幾次，不要在意這些細節……），如果觀測無誤，在這麼小範圍內（不到120個天文單位）集中了如此高的質量，而又在紅外波段基本看不見，這在理論上似乎只有一種可能——黑洞。

而我們前面說了，是兩個團隊進行了相同的觀測，而他們得到的觀測結果是一致的！因此可以認為觀測無誤，那麼結論就是：人馬座A*射電源是一個質量約為400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。而後續更多恆星的觀測結果印證了這一點，毫無疑問那就是個黑洞。

所以，其實在蓋茲他們發布這個觀測結果以後，我認為黑洞已經被證實了。但不知為何，這個重大發現當時並沒有像後來的引力波一樣馬上被授予諾貝爾獎（其實我覺得它本身就是諾貝爾獎級別的重大發現）。也許正因如此，科學愛好者群體裡依然流傳著黑洞只是一種假說的傳言。直到另一次的重大天文發現……

聆聽時空的琴弦——雙黑洞合併引力波

2015年9月14日，一陣13.4億光年（410百萬秒差距）外發出的時空漣漪拂過地球，在LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）位於美國西北海岸的漢福德和南海岸利文斯頓兩個相距3000km的真空雷射幹涉儀幾乎同時記錄下了這段時空的琴音，兩者接收到信號的時間僅相差7毫秒。

根據數值模擬的理論模型比對，這個引力波事件來自兩個質量分別為36倍和29倍太陽質量的黑洞合併成一個62倍太陽質量的黑洞過程中所釋放的引力波，引力波的總能量約為3個太陽質量，這次引力波事件中沒有發現電磁波信號。

此次引力波的周期從30Hz開始被探測到，直到240Hz左右結束，這意味著產生引力波的兩個天體以每秒15圈-每秒120圈的速度在繞轉（每轉一圈會產生兩個周期的引力波，因為兩個黑洞各靠近地球方向一次）！按照理論模型，這兩個產生引力波的天體在200公裡距離時產生的引力波頻率高達100Hz，這意味著它們約每秒共同繞質心旋轉50圈，這樣，其公轉線速度將高達62800km/s左右，相當於光速的21%！在這麼近的距離上以這樣高的速度繞轉，這兩個天體只能是黑洞，沒有別的選擇了，要知道這200公裡只有國際空間站距離海平面的一半。

因此，這次引力波事件的發現再一次毫無爭議地證明黑洞的存在。但是，這引力波比對用的理論模型靠譜嗎？

引力波模型的最強驗證——雙中子星合併引力波

在第一次引力波發現後，大家主流存在兩種觀點，一種是引力波會馬上頒發當年的諾貝爾物理學獎，另一種則認為這個發現還夠不著。我當時是第三種觀點：需要多一個驗證，至少得位於歐洲的Virgo引力波探測器也同時測到才算，理想情況是要其它觀測手段同時觀測到引力波事件。因為只有後者才能真正驗證理論模型的真實性。

不過這個終極驗證來得有點快，在次年8月17日的一次雙中子星合併事件讓全球所有天文觀測手段共同驗證了引力波模型的真實性。

這次引力波事件幾乎同時被LIGO的兩個幹涉儀和Virgo的一個幹涉儀探測到，並在探測到引力波合併信號的1.7秒後，費米伽馬射線空間望遠鏡探測到一次伽馬射線短爆，隨後，全球各國把從射電、紅外、可見光到X射線在內的大量地面和空間望遠鏡同時對準了LIGO和Virgo給出的引力波源所在天區，在所有波段都獲得了該引力波事件的電磁信號。這次全球性合作的聯合觀測嚴格證明了引力波比對模型的正確性，證明了此前的引力波事件確實為雙黑洞合併產生，而這次的成功觀測也正式開啟了多信使天文學！當年的諾貝爾物理學獎毫無懸念地頒給了LIGO的三位發起人。

很明顯，這個時候黑洞的存在已經毫無爭議了，那首先觀測並確認銀心黑洞的根策爾和蓋茲也該發個獎了，不過並沒有……

黑洞存在的終極證據——視界面望遠鏡拍攝到人類首張黑洞照片

時間到了2019年4月，全球多家天文臺聯合參與的視界面望遠鏡計劃，由分別在全球多個地區的毫米波射電望遠鏡組成的射電幹涉陣列，成功拍攝到了人類首張黑洞照片，黑洞的形狀與理論完全吻合，黑洞的存在已經是不容置疑的鐵一般事實了。

遲來的諾貝爾獎

至此，根策爾和蓋茲的獎也該頒了，但可能由於此時已經錯過了諾貝爾獎年度提名的時間，兩人再度錯失2019年度的諾貝爾物理學獎，獎項頒給了另一個與天文學相關的宇宙微波背景輻射和系外行星探測，直到今年在所有人的意料之外，諾貝爾獎委員會連續兩年頒給了天文學，根策爾和蓋茲與證明黑洞理論的彭羅斯共同獲得了2020年度諾貝爾物理學獎。故事完滿結束。

其實近幾年的黑洞發現遠不止這些，但那些幾個月就出一個的黑洞大新聞對此次的頒獎並沒有決定性作用，這篇文章也太長了，所以就不贅述了，有機會我再另文繼續盤點。