思想和自然的多重藝術：黑洞和銀河系中心的超大質量緻密天體

2020-11-28 中科院物理所

導 讀

2020年諾貝爾物理學獎授予了Roger Penrose、Reinhard Genzel和Andrea Ghez的研究工作。Roger Penrose因預言黑洞形成的普遍性而獲獎；Reinhard Genzel和Andrea Ghez在銀河系中心發現超大質量緻密天體而獲獎。這些獲獎工作是天文學、物理學、數學、技術和自然的多元藝術結晶。對它們的理解將涉及對人類認知黑洞這類神秘天體的歷史回顧和現狀總結，關乎引力和時空本質。天文學和技術的進步正使得揭開黑洞的神秘面紗和時空奧義成為可能。

2020年獲諾貝爾物理學獎的工作涉及從理論的預言和自然的啟示兩個角度對黑洞這類天體的認知，可置於我們對宇宙中萬物之存在性和普遍性、萬物之形成和演化這些最基本問題的詢答框架之中（圖1）。奇點定理和銀河系中心的超大質量緻密天體的發現涉及對這一框架中部分問題的回答，對這一框架的整體認知還待完善。

圖1: 發現奇點定理和銀河系中心的超大質量緻密天體的相關背景和框架。

Schwarzschild、Kerr等前輩們基於愛因斯坦的廣義相對論已預言了黑洞的存在,但是是建立在系統具有高度對稱性的假設之上，黑洞在現實世界中能否形成並不確定。

Roger Penrose發現的奇點定理在假設上不受限於系統的對稱性，將黑洞的存在性推廣為形成黑洞的普遍性，為現實世界中黑洞的真實存在提供了理論基石。

銀河系中心的超大質量緻密天體是自然帶給我們對黑洞現實存在的啟示，它的緻密性（觀測限制的質量密度下限）無法用目前已知的其它天體/系統來解釋。

Penrose的奇點定理觸及黑洞奇點形成的一個重要方面，其在真實宇宙中的形成過程和形成條件的必要性還有待進一步揭示。宇宙中近鄰星系中心的超大質量緻密天體存在的普遍性已得到觀測的強力支持，並已表明它們是類星體的遺蹟。僅銀河系中心的超大質量緻密天體的個例還無法描述這類天體演化的完整圖像，未來的大樣本統計研究將會揭示超大質量緻密天體/黑洞的演化。星系中心超大質量黑洞存在的普遍性和星系的併合，則引出對星系中心是否存在兩個超大質量黑洞的詢問，進而對雙黑洞存在的普遍性和演化問題的追尋。

回答自然界中星系中心超大質量緻密天體與數學物理理論中的黑洞之間的關聯或是否相容，將是通向理解引力和時空本質的道路。超大質量緻密天體周圍的時空結構是什麼？「奇點」真的存在嗎？數學中的「存在」真的存在於自然界嗎？

2020年諾貝爾物理學獎的獲獎工作在理解宇宙中這類神秘天體而採用的方法、工作風格和視角是多樣的。天文觀測的發現彰顯著數學物理理論的靈動，並促進著數學物理理論的發展；數學物理理論的預言激發著天文觀測的推進，為觀測發現提供目標或靈魂。個體工作和團隊協作/競爭都推動著我們對引力和時空的理解。在時空本質的探索之路上，我們有幸能夠有機會欣賞邏輯和自然的多重藝術，欣賞前進過程中的每一次突破。

總結和展望

Roger Penrose預言了黑洞形成的普遍性；Reinhard Genzel和Andrea Ghez在銀河系中心發現超大質量緻密天體。銀河系中心的超大質量緻密天體很可能就是廣義相對論預言的黑洞。然而，現實世界中奇點和事件視界不可直接探測；這導致將星系中心超大質量緻密天體與彭羅斯奇點定理中的黑洞直接關聯的關鍵環節缺失。填補這一缺失的過程將引領人們理解引力和時空本質。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675820300667

本文內容來自Cell Press合作期刊The Innovation 第三期發表的Commentary文章「Black holes and the supermassive compact object at the Galactic center: multi-arts of thought and nature」 (投稿: 20201030；接收: 20201031；在線刊出: 20201105；DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100063)

作者簡介

於清娟，北京大學科維理天文與天體物理研究所和物理學院天文學系教授，主要從事黑洞、引力波天體物理、星系和動力學的研究工作。2002年博士畢業於美國普林斯頓大學天體物理科學系，之後曾在加拿大理論天體物理研究所、美國加州大學伯克利分校和聖克魯茲分校工作，自2008年擔任北京大學科維理天文與天體物理研究所和物理學院天文學系教授。

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2020年5月21日第一期出版（點擊查看）

2020年8月28日第二期出版（點擊查看）

2020年11月25日第三期出版（點擊查看）

來源：The Innovation創新

編輯：yrLewis

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    大家好，我是璀璨的猩猩在這個宇宙中，存在各種各樣的天體，這些天體形態不一，大小也不一樣。有一些天體我們可以看得到，如在晴朗的夜空中，我們會看到閃閃發光的小星星，當然，也會有一些我們看不見的天體。雖然我們看不到它們，但是它們確實是存在的，比如說黑洞。
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    先說答案：人類肉眼無法看到黑洞，必須藉助望遠鏡才能發現和觀測。現代天文學發現，幾乎每個大的星系中心都有一個巨大的黑洞，銀河系也不例外。黑洞是什麼？就是大質量恆星死亡後的屍骸。因此科學界認為，星系中心的超大質量黑洞很可能是另一種形成方式，就是宇宙大爆炸初期巨大星雲團直接坍縮形成的黑洞。大爆炸初期分子雲團質量太巨大了，在收縮和坍縮過程中，還沒等恆星形成，就直接坍縮成一個黑洞了，這樣的黑洞初始就是很巨大的。
  • 黑洞和銀河系最「黑暗」的秘密
    另一半則聯合授予萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德烈亞·季姿（Andrea Ghez），「以表彰他發現銀河系中心有一個超大質量的緻密物體。」 羅傑·彭羅斯將享有一半獎金，萊因哈德·根澤爾和安德烈亞·季姿將分享另一半獎金。
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  • 超大質量黑洞：宇宙的締造者？
    許多天體物理學家深信這一點。星系的存在會影響宇宙的演化，這就把超大質量黑洞置於了整個過程的中心。超大質量黑洞驅動著類星體，它們會產生以極高的速度運動的物質噴流，正是這些噴流觸發了星系的形成。如果沒有超大質量黑洞產生的噴流催生出銀河系，也許人類就不會出現在這個宇宙中。不過天文學家們並不打算就此重寫宇宙的歷史。他們關注的是超大質量黑洞和星系之間的聯繫，這也是縈繞在星系形成上的一個關鍵問題。20世紀60年代中，當類星體首次被發現時，這個問題第一次浮出了水面。類星體都是非常明亮、緻密的天體，可以釋放出超過銀河系100倍的輻射。
  • 近日，首次觀測到一顆恆星環繞銀河系中心超大質量黑洞運行。
    外媒的《天文學與天體物理學》雜誌發表的最新研究報告顯示，天文學家利用歐洲南方天文臺望遠鏡（一款位於智利阿塔卡馬沙漠的全能望遠鏡）首次觀測到一顆恆星環繞銀河系中心超大質量黑洞運行，運行軌跡猶如舞動的「玫瑰花結」，而這也正好符合愛因斯坦廣義相對論的預測結果。
  • 銀河系中心可能存在大黑洞
    上次我們介紹了彭羅斯與霍金對廣義相對論和黑洞研究的貢獻，下面我們想簡單介紹一下本次獲得諾貝爾獎的另外兩位天文學家（根澤爾和蓋茲）對黑洞探尋的貢獻。最近一段時間以來，天文界似乎覺得宇宙間普遍存在黑洞，特別是在類星體和星系的中心，似乎都存在超大質量黑洞。 許多天文觀測發現，大質量天體周圍存在吸積和噴流。不過研究表明，黑洞和非黑洞都能產生吸積和噴流。
  • 銀河系中心超大黑洞被證實,諾貝爾物理學獎頒發
    2020年10月6日，2020年諾貝爾物理學獎在瑞典揭曉，彭羅斯證明了黑洞的存在、根澤爾和格茲發現銀河系中心有一個超大質量的黑洞而摘得獎項。這是偉大科學家霍金去世兩年後，科學界對其理論的進一步證實。黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種天體。
  • 超大質量黑洞:星系的締造者?
    許多天體物理學家深信這一點。星系的存在會影響宇宙的演化，這就把超大質量黑洞置於了整個過程的中心。超大質量黑洞驅動著類星體，它們會產生以極高的速度運動的物質噴流，正是這些噴流觸發了星系的形成。如果這個想法是正確的，它就將會顛覆已有的星系形成理論。它也會驚人地對改變我們自己的起源。如果沒有超大質量黑洞產生的噴流催生出銀河系，也許人類就不會出現在這個宇宙中。
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