长文读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密

新浪科技讯 北京时间10月6日消息，2020年诺贝尔物理学奖揭晓：一半授予Roger Penrose，获奖原因“发现广义相对论预测了黑洞的形成”；另一半授予Reinhard Genzel和Andrea Ghez，获奖原因“发现银河系中心的超大致密物体”。三位物理学家分享了今年的诺贝尔物理学奖，因为他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞。
黑洞和银河系最黑暗的秘密
三位科学家因为他们对宇宙中最奇特现象之一——黑洞的研究，而共享今年的诺贝尔物理学奖。Roger Penrose发明了巧妙的数学方法，来探索爱因斯坦的广义相对论。他的研究揭示了广义相对论如何预测了黑洞的形成。这些时空和空间的怪物会捕获一切进入其中的东西。任何东西，甚至是光，都无法逃离黑洞。 Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领着一群天文学家，从上世纪九十年代初就开始研究银河系的中心区域。随着精确度的提高，他们成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道。两组研究人员都发现，有一种看不见但很重的物体，促使这些恒星在周围转圈。
这个看不见的物质大约有400万个太阳质量那么重，但体积却和我们的整个太阳系差不多。是什么使得银河系中心附近的恒星以如此惊人的速度旋转呢？根据当前的引力理论，可能的解释只有一个：那就是超大质量黑洞。
超越爱因斯坦的突破 广义相对论之父爱因斯坦本人曾经也不认为黑洞会真的存在。但是，在爱因斯坦去世后十年，英国理论学家Roger Penrose证明，黑洞可以形成，并描述了它们的特征。黑洞的中心隐藏着一个奇点，所有已知自然法则在这里都不再适用。
为了证明黑洞的形成是一个稳定的过程，Penrose需要扩展用来研究相对论的方法，即使用新的数学概念来解决这一理论的问题。Penrose的突破性文章发表于1965年1月，至今仍被认为是自爱因斯坦以来，对广义相对论的最重要贡献。 引力牢牢掌控整个宇宙
黑洞大概是广义相对论的最奇怪结果。当爱因斯坦在1915年11月提出他的这个理论时，它颠覆了此前所有的时空概念。该理论为理解引力提供了全新的基础。引力在最大程度上塑造了宇宙。自此之后，广义相对论为所有的宇宙研究提供基础，并且在我们最常用的导航工具——GPS中，也有实际应用。
爱因斯坦的理论描述了引力如何掌控着整个宇宙中的一切。引力让我们站在地球上，引力也控制着行星绕太阳运行的轨道以及太阳绕银河系运行的轨道。引力也促使恒星从星际云中的诞生，而最终恒星又在引力塌缩下死去。大质量物质会弯曲空间并减慢时间；极大质量物质甚至可以切断和包裹空间——形成黑洞。 第一个描述黑洞的理论出现于广义相对论发表后的数周。尽管该理论的数学方程式极其复杂，但德国天体物理学家Karl Schwarzschild仍为爱因斯坦带来一个解决方案，解释大质量物质如何弯曲时空。
后来的研究表明，黑洞一旦形成，它会被事件视界包围，该事件视界如同面纱一般围绕黑洞中心的物质运动。黑洞永远隐藏在其事件视界之内。质量越大，黑洞及其视界就越大。对于相当于太阳质量的物质，事件视界的直径大约为三公里；而相当于地球质量的物质，事件视界的直径则只有九毫米。
超越完美的解 “黑洞”的概念在许多文化表达形式中都找到了新的含义，但对物理学家来说，黑洞是巨型恒星演化的自然终点。20世纪30年代末，物理学家罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）首次计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍缩。奥本海默后来领导了制造出第一颗原子弹的“曼哈顿计划”（Manhattan Project）。当质量为太阳许多倍的巨型恒星耗尽燃料时，它们首先爆发成为超新星，然后坍缩成密度极高的残骸，其质量之大，以致于引力能将一切都拉进内部，甚至包括光。
早在18世纪末，英国哲学家、数学家约翰·米歇尔（John Michell）和法国著名科学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）就提出了“暗星”（dark star）的概念。两人都认为，天体的密度可以大到让人看不见，因为光的速度也不足以逃脱它们的引力。
一个多世纪之后，爱因斯坦发表了广义相对论，该理论中一些方程的解描述的正是这样的暗星。直到20世纪60年代，这些解都被认为是纯粹的理论推测，描述了恒星及其黑洞呈完美的圆形和对称的理想状态。但是，宇宙中没有什么是完美的，而Roger Penrose首先成功地为所有坍缩物质找到了一个现实的解。
类星体之谜
1963年，随着宇宙中最亮的物体——类星体（quasar）——的发现，黑洞是否存在的问题再次浮出水面。在近十年的时间里，天文学家一直对来自神秘来源（如室女座的3C273）的无线电射线感到困惑。可见光辐射最终揭示了该类星体的真实位置——3C273距离地球如此之远，以致于这些射线在超过10亿年的时间里都在朝着地球传播。 这些辐射源离我们如此之远，其强度甚至相当于几百个星系发出的光。这些天体被命名为“类星体”。天文学家很快就发现了更加遥远、在宇宙早期就已经发出辐射的类星体。这种令人难以置信的辐射来自哪里？要在类星体有限的体积内获得如此多的能量，只有一种方法——从坠入巨大黑洞的物质中获取。
俘获面
黑洞是否能在现实条件下形成是困扰Roger Penrose的一个问题。他后来回忆道，答案出现在1964年秋天，当时他正和一位同事在伦敦散步。Penrose当时是伯克贝克学院的数学教授。当他们暂时停下交谈，穿过一条小街时，一个想法突然出现在他的脑海里。那天下午晚些时候，他回忆起了这个想法，也就是被他称为“俘获面”（trapped surface）的概念。这是他一直想要寻找的关键，也是描述黑洞所需要的重要数学工具。 一个俘获面会迫使所有光线指向一个中心，不管表面是向外还是向内弯曲。利用束缚表面，Penrose证明黑洞总是隐藏着一个奇点，即一个时间和空间的边界。奇点的密度无限大，但到目前为止，还没有理论能够解释这一物理学中最奇特的现象。
在Penrose对奇点定理的证明进行完善时，俘获面成为一个中心概念。在如今有关弯曲宇宙的研究中，他所引入的拓扑方法发挥着重要的作用。
通向时间尽头的单行道
一旦物质开始塌缩并形成俘获面，塌缩就再也没有可能停止。正如物理学家兼诺贝尔奖得主Subrahmanyan Chandrasekhar讲述的故事中所言，没有回头路。他的这个故事讲的是蜻蜓和其生活在水面下的幼虫。当幼虫准备好展开翅膀时，它向周围的同伴承诺，会回来向它们讲述水面上的大千世界。但是一旦幼虫真的冲出水面，如蜻蜓一般飞舞后，它就再也回不去了。水中的幼虫永远无法听到水面之外大千世界的故事。 同样地，所有物质也只能沿一个方面穿越黑洞的事件视界。然后，时间取代空间，所有可能的路径都指向内部，时间的流逝将所有事物推向不可避免的终点——奇点。如果你穿过事件视界，掉入一个超大质量黑洞，你不会有任何感觉。但是从黑洞的外边，没有人会看到你跌入其中，而你的旅程会一直继续。在物理学定律范围内，窥视黑洞内部是不可能的；黑洞的一切秘密都隐藏在它们的事件视界之内。
黑洞控制恒星的路径 黑洞的形成 （左上） 黑洞横截面 当一颗巨大的恒星在自身引力作用下塌缩时，它会形成一个质量很大的黑洞，捕获穿越其事件视界的一切东西。哪怕是光都无法逃离黑洞。在事件视界中，时间取代空间，所有路径向内指。时间流将一切带向黑洞最深处的奇点——在这里，密度是无限的，时间也止于此。 （右下） 光锥表示光线在时间上向前和向后的路径。当物质塌缩并形成黑洞时，穿过黑洞事件视界的光锥将向内朝奇点运动。外部的观察者永远不会真正看到光线到达事件视界。他们看到的，只是光线接近事件视界。之后的就没有人能看到。
即便我们看不见黑洞，但我们仍可以通过观察黑洞引导周围恒星运动的巨大引力，来确定其特征。
Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领着一个独立的研究小组，以探索我们的银河系中心区域。我们的银河系状似一张圆盘，直径达到10万光年，其中有云气和尘埃，以及几千亿颗恒星；其中之一就是我们的太阳。我们从地球上望去，巨大的星际气体和尘埃遮挡了大部分来自银河系中心的可见光芒。红外线望远镜和无线电技术首次让天文学家得以穿越这些障碍，观测到银河系中心的恒星。
Genzel和Ghez循着恒星的运行轨道，提出迄今为止最有说服力的证据：银河系中心隐藏着一个看不见的超大质量物体。黑洞是唯一可能的解释。
聚焦中心 图3：银河系俯视图。我们的银河系状似一张圆盘，直径达到10万光年。银河系的漩涡臂由云气和尘埃以及几千亿颗恒星组成；其中之一就是我们的太阳。
五十多年来，物理学家一直在怀疑，银河系的中心可能存在一个黑洞。自从二十世纪六十年代初发现类星体以来，物理学家就推测，大多数大型星系（包括银河系）的内部可能存在超大质量黑洞。但是，目前尚无人能解释，星系和它们的黑洞，到底是如何形成的。
一百年前，美国天文学家Harlow Shapley率先确定了银河系的中心，指向人马座。在后来的观测中，天文学家发现那里有强大的无线电波源，他们把这个无线电波源称为“人马座A*”。等到二十世纪六十年代末，人们发现人马座A*占据了银河系中心，银河系内的所有恒星都围绕其运行。
但一直到二十世纪九十年代，我们才有了更大的望远镜和更好的设备，可以对人马座A*进行更为系统的研究。Reinhard Genzel和Andrea Ghez 分别启动了各自的项目，试图透过厚厚的尘埃云观察银河系的中心。他们和自己的研究团队一起，开发和完善各自的技术，构建独特的仪器并投身于长期的研究。 要观测遥远的恒星，就要用到世界上最大的望远镜——在天文学中，越大越好是一条绝对的真理。德国天文学家Reinhard Genzel和他的团队最初使用的是新技术望远镜（NTT），位于智利的拉西拉天文台。后来，他们将观测转移到位于帕拉纳尔山（也是在智利）的甚大望远镜（VLT）上。甚大望远镜拥有4台8.2米口径的望远镜，相当于新技术望远镜（3.58米）的两倍以上，而这些望远镜的组合等效口径可达16米。
在美国，Andrea Ghez和她的研究团队使用了位于夏威夷莫纳克亚山的凯克天文台。该天文台拥有两座口径约10米的望远镜，是目前世界上最大的望远镜之一。每面镜片都像一个蜂巢，由36个六边形的部分组成，可以单独控制，以更好地聚焦星光。
星星指路 这些恒星的轨道表明，在银河系的中心区域，某种无形而沉重的东西控制着它们的轨道。
最靠近银河系中心的恒星
这两颗恒星的轨道是迄今为止最令人信服的证据，证明在人马座A*中隐藏着一个超大质量黑洞。据估计，这个黑洞的质量约为太阳质量的400万倍，而所有这些质量都挤压在一个不比太阳系大多少的区域内。
左上：天文学家测量了银河系中心人马座A*附近一些恒星的轨道；
右上：对其中一颗恒星S2（或称S-02），天文学家成功绘制了其完整的轨道，发现其围绕银河系中心的周期不到16年。该恒星最靠近人马座A*时，距离仅为大约17光时（100亿公里以上）。
左下：S2的径向速度会随着其接近人马座A*而增加，并随其在椭圆形轨道上的运行而逐渐下降。径向速度是恒星速度在我们视线上的分量。
右下：在最靠近人马座A*（2002年和2018年）时，恒星S2的速度达到最高的每秒7000公里
无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节总是有限的，因为在我们上方，是将近100千米厚的大气层。望远镜上方的大气泡往往比周围环境的温度更高或更低，它们就像透镜，能使光线在到达望远镜镜面时发生折射，从而扭曲了光波。这就是星星闪烁的原因，也是星空图像模糊的原因。
自适应光学技术的出现对天文观测的改善至关重要。现在，望远镜上都安装了一个额外的薄镜片，用以补偿空气的湍流，并校正扭曲的图像。
近三十年来，Reinhard Genzel和Andrea Ghez一直在银河系中心的恒星群中追踪某些恒星。他们继续开发和该进这项技术，采用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学元件，使图像分辨率提高了1000倍以上。现在，他们可以更精确地确定恒星的位置，并在夜间跟踪它们。 研究人员追踪了这群恒星中30颗最亮的恒星。这些恒星在距离中心一个“光月”的半径内移动得最快。另一方面，这一区域以外的恒星则更有序地沿着它们的椭圆轨道运行（图4）。
一颗被称为S2（或S-O2）的恒星，在不到16年的时间内绕银河系中心运行了一周。这是非常短的时间，因此天文学家能够绘制出它的整个轨道。我们可以拿太阳来比较，太阳绕银河系中心转一圈需要超过2亿年的时间；换言之，当我们目前这一圈刚刚开始时，恐龙还在地球上行走。
理论与观测相辅相成
两个小组的测量结果非常一致，他们得出的结论是：银河系中心的黑洞质量应该相当于400万倍太阳质量，被挤压到一个太阳系大小的区域内。 我们或许很快就能看到人马座A*的真面目了。就在一年前，事件视界望远镜天文网络已经成功拍摄到一个超大质量黑洞的图像——事实上，我们看到的是它周围最邻近的环境。在距离我们5500万光年的室女A星系（又称M87星系）中，存在着一个由超大质量黑洞构成的核心。
M87星系的核心黑洞非常巨大，质量是人马座A*的1000多倍。相比之下，近年来许多引力波事件背后的碰撞黑洞要轻得多。和黑洞一样，在2015年秋天被美国的LIGO探测器第一次捕获引力波信号之前，这种时空涟漪只是爱因斯坦广义相对论的理论预测（取得该发现的科学家荣获2017年诺贝尔物理学奖）。 未解的谜题
Roger Penrose的工作揭示了黑洞是广义相对论的直接推论，但在奇点无限强大的引力下，这个理论不再适用。理论物理学领域正在进行大量的工作，以创建一个新的量子引力理论。这必须将物理学的两大支柱——相对论和量子力学——结合起来，并在黑洞的内部的极端条件下相遇。
与此同时，天文学家也越来越接近黑洞，试图更近距离地展开观测。Reinhard Genzel和Andrea Ghez的开创性工作为新一代天文学家开辟了道路，使他们能够对广义相对论及其最奇异的预测进行精确的验证。这些测量和验证工作很可能为新的理论见解提供线索，并揭示宇宙中更多的秘密和惊喜。