黑洞獵手，在璀璨星光中凝視黑暗

太長不看版：

• 愛因斯坦提出廣義相對論後，很快就有人提出一個理論解，可以描述黑洞；

  
  

• 這個解過於苛刻，要求完美球形對稱，因此很長時間裡，黑洞被認為只是理論性猜測，連愛因斯坦都不信它真能形成；

  
  

• 愛因斯坦死後10年，羅傑·彭羅斯提出俘獲面概念，證明不完美的物質坍縮也能形成黑洞，黑洞是廣義相對論的必然結果；

  
  

• 萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲花了數十年時間，追蹤銀河系中心一些明亮恆星的運行軌跡；

  
  

• 他們的實測數據表明，銀河系中心潛藏著一個質量巨大的不可見天體，大約相當於太陽400萬倍的物質，被擠壓在一個跟太陽系大小類似的區域之內；

  
  

• 超大質量黑洞，是這個不可見天體目前唯一的解釋。

2020年的諾貝爾物理學獎授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），以及萊茵哈特·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez），因為他們的發現推動了人類對宇宙間最奇異的現象——黑洞——的認識。羅傑·彭羅斯指出了黑洞是廣義相對論的必然結果；萊茵哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲發現銀河系中心存在支配著恆星軌道的、質量極大的不可見天體。超大質量黑洞是這一天體目前已知的唯一解釋。

羅傑·彭羅斯發明了極為精巧的數學方法，用於探索愛因斯坦的廣義相對論。黑洞仿佛時間和空間中的巨獸，吞噬萬物，甚至連光都無法逃脫。彭羅斯通過數學推導指出黑洞的形成是廣義相對論的必然結果。

上世紀90年代，萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自帶領一組天文學家研究銀河系的中心區域。隨著觀測的精度不斷進步，他們繪製出了銀河系中心最亮的一些恆星的軌道。兩個研究小組發現，那裡存在一個質量極大卻不可見的物體，迫使這些恆星圍繞著它飛速旋轉。這一團質量達到太陽400萬倍的物質，擠在一個比太陽系還小的空間中。是什麼讓恆星圍繞著銀河系的中心以超乎想像的速度旋轉？根據目前的引力理論，只有一個可能的候選者——超大質量黑洞。

圖丨諾貝爾獎官方網站

超越愛因斯坦的突破

即使是廣義相對論之父愛因斯坦，也不相信黑洞真的存在。然而，在愛因斯坦去世10年後，英國理論物理學家和數學家羅傑·彭羅斯證明，黑洞可以形成，並描述了它們的特性。他指出，在黑洞的中心，存在一個奇點，在那裡一切已知的自然定律都會崩潰。

為了證明黑洞的形成是一個穩定的過程，彭倫斯需要拓展研究廣義相對論的方法，用新的數學概念探索相關的問題。他在1965年1月發表了突破性的論文。這一成果至今仍被認為是愛因斯坦之後，對廣義相對論發展做出的最重要貢獻。

引力控制著宇宙

黑洞或許是廣義相對論最奇怪的結果。愛因斯坦在1915年11月提出的這一理論，顛覆了以前所有的空間和時間概念。該理論為理解引力提供了一個全新的基礎：引力在最大尺度上塑造了宇宙。從那時起，這個理論為所有關於宇宙的研究提供了基礎，同時，在我們最常用的導航工具之一 ——GPS全球定位系統中，它也得到了實際應用。

愛因斯坦的理論描述了宇宙萬物如何被引力所控制。萬有引力控制著地球上的我們，它也驅使著行星圍繞太陽運行，驅使著太陽圍繞銀河系中心運行。此外，它也導致恆星在星際雲中誕生，並最終在引力坍縮中毀滅。引力塑造了空間的形狀，同時影響著時間的流逝。較重的質量會使空間彎曲，使時間變慢；而極重的質量甚至可以切斷和封裝一片空間——從而形成黑洞。

我們現在所說的黑洞，在廣義相對論發表幾周後，就有了第一個理論描述。儘管廣義相對論有著極其複雜的數學方程，德國天體物理學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）還是求出了議程的一個解，用於描述重質量如何彎曲空間和時間。

後來的研究表明：黑洞一旦形成，將會被一個事件視界所包圍，像面紗一樣將那些物質包裹在中心。黑洞也將永遠隱藏在事件視界之內。事實上，質量越大，黑洞和它的事件視界就越大。舉例來說，對於質量相當於太陽的黑洞，事件視界的直徑差不多有3千米，而對於質量相當於地球的黑洞，其直徑只有9毫米。

超越完美的解

在文化表達裡，「黑洞」這個概念有許多含義。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，著名物理學家羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）首次計算了一顆大質量恆星的劇烈坍縮——他後來還主持了製造第一顆原子彈的曼哈頓計劃。當比太陽重很多倍的巨星耗盡燃料時，它們首先會爆炸成為超新星，然後坍縮成密度極高的殘骸，其巨大的引力會將一切東西都吸入其內，連光也逃不脫。

早在18世紀末，英國哲學家和數學家約翰·米歇爾（John Michell）和法國著名科學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）的著作中，就提到過「暗星」的概念。兩人都曾推理過，天體的密度可能大到以至於看不見——即使快如光速也不足以擺脫它們的引力。

又過了一個多世紀，愛因斯坦發表了他的廣義相對論，該理論中以難以理解著稱的方程有一些解，描述的正是這樣的暗星。直到20世紀60年代，這些解一直被認為是純理論性的猜測，描述了理想狀況下完美對稱的圓形恆星和同樣完美對稱的圓形黑洞。但宇宙中沒有東西是完美的，坍縮的物質可能凹凸不平，天然帶有各種缺陷，而羅傑·彭羅斯率先成功地為所有這種不完美的坍縮物質找到了現實的解。

類星體之謎

1963年，隨著宇宙中最亮的天體類星體（quasars）的發現，黑洞的存在問題再次浮出水面。在將近10年的時間裡，天文學家一直困惑於一些來源神秘的電波，比如室女座的3C273。可見光輻射終於揭示了它的真實位置——3C273距離地球如此之遠，以至於它的輻射要花上超過10億年才能來到地球。

假如這個光源距離這麼遠，它的強度一定相當於幾百個星系的光。它被賦予了 「類星體」的名稱。天文學家很快就觀測到一些類星體，它們的距離是如此遙遠，必然在宇宙早期就已經發出了輻射。這些不可思議的輻射從哪裡來呢？在類星體有限的體積內，要想獲得這麼多的能量，只有一個辦法——從落入一個巨大黑洞的物質中獲得。

俘獲面解開了謎底

黑洞能否在現實條件下形成，這是一個令羅傑·彭羅斯困惑的問題。據他後來回憶，問題的答案出現在1964年秋天他與一位同事在倫敦散步時，彼時彭羅斯是伯貝克學院（Birkbeck College）的數學教授。當他們停止交談穿過一條小街時，一個想法閃現在他的腦海中。當天下午，他回憶起了這個想法。這個被他稱之為俘獲面（trapped surfaces）的想法，是他不知不覺中一直尋找的關鍵，是用來描述黑洞所需的重要數學工具。

不管該曲面是向外還是向內彎曲，俘獲面都會迫使所有射線都指向一個中心。通過俘獲面，彭羅斯能夠證明黑洞總是隱藏著一個奇點，一個時間和空間結束的邊界。奇點的密度無限大，至今還沒有任何理論來解決這個物理學中最奇怪的現象。

在彭羅斯對奇點定理（singularity theorem）的證明過程中，俘獲面是一個核心概念。他所引入的拓撲學方法對研究我們彎曲的宇宙非常寶貴。

通向時間盡頭的單行道

一旦物質開始坍縮，俘獲面形成，就沒有什麼能阻止坍縮的繼續。就像物理學家、諾貝爾獎獲得者蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）曾講述的他童年時在印度聽到的故事一樣，沒有退路。

這個故事講的是蜻蜓和它們生活在水下的幼蟲。當幼蟲準備展開翅膀時，它承諾會告訴它的同類們水面另一邊的生活是怎樣的。但一旦幼蟲穿過水麵，成為蜻蜓飛走，就再也回不來了。水中的幼蟲永遠也聽不到另一邊的故事。

同樣，所有的物質只能從一個方向穿越黑洞的事件視界。然後，時間取代了空間，所有可能的路徑都指向內側，時間的流動帶著一切走向奇點處那個不可避免的終點。如果你掉進了超大質量黑洞的事件視界，你不會有任何感覺。而從外面看，沒有人可以看到你掉進去，你通往事件視界的旅程會一直繼續下去。在物理定律中，窺視黑洞是不可能的；黑洞把自己所有的秘密都隱藏在事件視界之後。

黑洞控制著恆星的運行軌跡

儘管我們看不到黑洞，但通過觀察它的巨大引力如何引導周圍恆星的運動，還是可以確定它的特性。

萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲分別領導著不同的研究小組，探索我們的星系——銀河系的中心。銀河系的形狀像一個直徑約10萬光年的扁平盤子，由氣體、塵埃和幾千億顆恆星組成，其中一顆恆星就是我們的太陽。從地球上望去，龐大的星際氣體和塵埃雲阻擋了來自銀河系中心的大部分可見光。而紅外線望遠鏡和射電技術讓天文學家的視線第一次穿過銀盤，獲取了銀河系中心的星體影像。

以恆星的運行軌跡為嚮導，根策爾和蓋茲提供了迄今為止最有信服力的證據，證明那裡隱藏著一個看不見的超大質量物質。唯一可能的解釋就是黑洞。

一個黑洞的形成。點擊可看大圖丨原圖：諾貝爾獎官方網站；翻譯：核桃苗

專注於正中心

50多年來，物理學家一直懷疑銀河系中心可能存在一個黑洞。自從20世紀60年代初發現類星體以來，物理學家就推理出，包括銀河系在內的大多數大星系內部，都可能存在著超大質量黑洞。然而，目前沒有人能夠解釋這些星系及它們中心質量相當於幾百萬到幾十億個太陽的黑洞是怎樣形成的。

100年前，美國天文學家哈洛·夏普利（Harlow Shapley）首次找到了銀河系的中心：在人馬座的方向。通過後續的觀測，天文學家在那裡發現了一個強大的射電源，並將其命名為人馬座A*（Sagittarius A*）。到了20世紀60年代末，人們清楚地認識到，人馬座A*位於銀河系的中心，銀河系中的所有恆星都圍繞著它運行。

到了20世紀90年代，更大的望遠鏡和更好的設備出現了，這時人們才有了系統觀察人馬座A*的條件。萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自啟動了一個項目，嘗試透過塵埃雲觀測銀河中心。他們與各自的團隊一起，升級完善了相關技術，建設了創新的設備，對銀心展開了長期的研究。

從上俯瞰銀河，我們所在的星系。它看上去像一個10萬光年寬的大盤子。銀河的旋臂由氣體、塵埃，以及數不清的恆星組成——其中一顆就是我們的太陽丨原圖：諾貝爾獎官方網站；翻譯：李小葵

只有世界上最大的望遠鏡才能讓我們成功看到遙遠的星星——在天文學領域，望遠鏡自然是越大越好。德國天文學家萊因哈特·根策爾和他的團隊最開始使用的是位於智利拉西拉天文臺的新技術望遠鏡（the New Technology Telescope，NTT）。後來，他們將觀測基地轉移到了歐洲南方天文臺位於智利的甚大望遠鏡（the Very Large Telescope facility, VLT）。甚大望遠鏡有4個巨大的望遠鏡，每個的直徑都超過了8米，是新技術望遠鏡的2倍大，這讓甚大望遠鏡成為了世界上最大的單片望遠鏡。

在世界的另一邊，安德烈婭·蓋茲和她的團隊使用的是位於夏威夷山上的凱克天文臺。這裡的望遠鏡直徑近10米，目前還保持著世界紀錄。主鏡像一個蜂巢，由36片六邊形鏡面組成，每片鏡面都可以獨立控制，從而更好地聚焦星光。

恆星指路

但是，不論望遠鏡有多大，我們能看清的細節都是有限的，因為我們生活在一個深達100千米的「大氣海洋」底部。大氣中或冷或熱的氣團擋在望遠鏡鏡頭前，起到了透鏡一樣的作用，使到達望遠鏡鏡頭的光線發生扭曲、彎折。這就是我們看星星總是「一閃一閃亮晶晶」的原因，也是我們拍到的星體總是模糊不清的原因。

自適應光學的出現對改善觀測非常重要。它通過在望遠鏡鏡頭前加一塊鏡片，來矯正空氣對光線傳播的影響。

近30年來，萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲一直在我們星系中心的一團亂麻中追蹤著他們的恆星。在這期間，他們也在不斷改進技術。有了更靈敏的數字感光器和更好的自適應光學設備，他們得到的圖像解析度提高了上千倍。現在，他們能夠越來越精確地測定那些恆星的位置，夜復一夜地追蹤它們的運行。

研究者追蹤了最明亮的30顆恆星。在距離銀河中心半徑1光月（也就是光走了1個月的距離）以內，這些恆星移動最快，看起來就像一群忙碌的蜜蜂正在跳舞。而在這塊區域之外，恆星沿著它們的橢圓形軌道運行，看起來規矩多了。

其中一顆恆星，被稱為S2或S-O2，花了不到16年時間就繞著銀河中心轉完了一整圈。這個周期短到令人咋舌，也正因為如此，天文學家才能描繪出它的完整軌跡。相比之下，我們的太陽繞著銀河系中心走完一圈，要花上2億多年才行。對了，在我們現在這圈剛開始跑的時候，恐龍還在地球上溜達呢。

星體的軌道表明，有一個不可見但質量很大的物體主宰著它們繞銀河系中心旋轉的軌道。

理論與觀測隨行

兩個團隊的觀測結果相互印證，由此得出結論：我們星系中心的黑洞應該有大約400萬倍太陽質量，這些質量聚集在相當於我們太陽系大小的區域之內。

我們可能很快就能直接觀測到人馬座A*。就在一年多以前，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）成功對一個超大質量黑洞周邊最近的環境進行了成像觀測。那個黑洞位於遙遠的M87星系，距我們5500萬光年，看起來像一隻周圍圍繞著火圈的超黑眼睛。而人馬座A*，就是事件視界望遠鏡的下一個觀測目標。

M87中心的黑洞質量巨大，比人馬座A*重了超過1000倍。導致我們最近探測到引力波的那些併合黑洞，質量則要輕得多。引力波信號在2015年的秋天首次被LIGO探測器捕獲（2017年獲得諾貝爾物理學獎）。而在那之前，引力波只存在於愛因斯坦廣義相對論的相關計算當中，就像黑洞一樣。

我們所不知道的事情

羅傑·彭羅斯證明了黑洞是廣義相對論的直接結果，但在奇點無限大的引力之下，廣義相對論不再適用。在理論物理學領域，人們正在進行大量工作來創建量子引力的新理論。這一理論必須要統一物理學的兩大支柱：相對論與量子力學。在黑洞內部的極端情況下，兩者狹路相逢。

與此同時，實驗觀測也離黑洞更近了。萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲開拓性的工作引領了新一代對廣義相對論及其最古怪預言的精確驗證。這些測量很有可能也將為新的理論見解提供線索。宇宙仍有很多秘密與驚喜等待人們發現。

譯者：antares，核桃苗，YeYeYe，江笑川，李小葵

編輯：steed

編譯來源：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/popular-information/

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