他们“看到”了黑洞——解读2020年诺贝尔物理学奖成果 - 中科大家长论坛

2020年诺贝尔物理学奖颁发给了三位获奖者，因为“他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞”。

　　英国物理学家罗杰·彭罗斯证明黑洞是广义相对论的直接产物。德国科学家赖因哈德·根策尔和美国科学家安德烈娅·盖兹则发现，在我们银河系的中心，有一个看不见的、质量极大的天体控制着周边恒星的轨道，目前对这个天体的唯一解释就是一个超大质量黑洞。

　　爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的空间和时间概念。他的方程式预言了黑洞的存在：大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢，一个超大质量的天体甚至能吞噬光线，从而形成一片“绝对黑暗”的空间，这就是黑洞。值得一提的是，爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

　　然而，在爱因斯坦去世10年后，彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成，并对其进行了详细描述：在黑洞的核心隐藏着一个奇点，它的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩，就没有什么能阻止坍缩的继续，所有物质只能沿一个方向走向奇点。这是一条通往时间尽头的“单行道”。

　　彭罗斯这篇开创性的论文发表于1965年1月，至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。现在，黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识。

　　黑洞引力非常强大，甚至连光线也无法逃逸，没有光线射出的边界称为“事件视界”。直接窥视黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的事件视界内。但是，星星为孜孜以求的科学家们指明了方向。

　　利用恒星的轨道作为向导，根策尔和盖兹提出了迄今最有说服力的证据，证明银河系中心隐藏着一个看不见的超大质量天体。

　　100年前，美国天文学家哈洛·沙普利首先确定了银河系的中心，即射手座（又称人马座）方向。但直到20世纪90年代，随着更大、更先进的天文观测设备出现，科学家们才得以对银河系中心进行更系统的研究。

　　根策尔和盖兹分别领导一个研究小组，自上世纪90年代初以来一直试图透过尘埃云观测银河系中央一个名为“射手座A*”的区域。根策尔小组最初使用位于智利的新技术望远镜（NTT），而后使用位于智利帕拉纳尔山上的甚大望远镜（VLT）。而盖兹小组则使用位于美国夏威夷冒纳凯阿山上的凯克天文台。

　　近30年来，根策尔和盖兹的团队不断完善观测技术，追踪观测区域内众多恒星中一批最亮恒星的运动轨迹。其中一颗恒星在不到16年的时间内完成了围绕星系中心的完整运行，科学家们得以绘制出它的完整轨道。

　　两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论：银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体，在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量，使周边恒星急速旋转。对这个看不见的天体，目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞。

　　2019年4月10日，由全球8台射电望远镜组合而成的“事件视界望远镜”项目拍摄到人类历史上第一张黑洞照片。被拍到的这个黑洞位于一个名为M87的星系中央，其质量是太阳的65亿倍。在不久的将来，银河系中央的黑洞“真容”可能也会显露。

　　诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示，今年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题，并激发未来的研究。他说：“不仅有关于它们内部结构的问题，还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题。”