看向宇宙中最黑暗的地方

楊先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？黑洞！此外，黑洞還被公認為宇宙中最神秘的天體之一。因為難以被探測，它也一度被認為是僅存在于科幻小說中的天體。然而，隨著科學家的深入探索，越來越多的證據表明黑洞的確存在于宇宙中。

2020年，諾貝爾物理學獎首次頒發給了研究黑洞的科學家，他們分別是英國理論物理學家羅杰·彭羅斯和德國天文學家賴因哈德·根策爾、美國天文學家安德烈婭·蓋茲。

看不見的天體

1915年，愛因斯坦創立了廣義相對論，指出萬有引力的本質是時空彎曲。很快，德國物理學家史瓦西根據該理論，推導出天體的視界半徑，即天體能被人類看見的最小半徑。后來，科學界稱之為史瓦西半徑。如果一個天體的半徑大于其史瓦西半徑，它能被我們看到;反之，它會消失于我們的視野中。

那么，宇宙中真有“隱身”的天體嗎？一些天體在燃料逐漸消耗的過程中不斷坍縮，半徑逐漸減小。如果它們坍縮到半徑比其史瓦西半徑還小，我們就看不到它們了。但是，它們依然真實存在。后來，這類天體被命名為黑洞。

比如，太陽現在的半徑約為69.6萬千米，而其史瓦西半徑只有約3千米，所以我們現在能看到太陽;數億年后，太陽如果坍縮到半徑小于其史瓦西半徑，就會變成一個黑洞。又如，地球的平均半徑為6371千米，假如有一種力量將地球不斷壓縮，使其半徑縮小為9毫米，地球也會成為黑洞。

證明天體坍縮成黑洞

雖然科學家早就根據廣義相對論預言了黑洞的存在，但是之后20多年有一個問題一直懸而未決：天體真的會坍縮成黑洞嗎？

1939年，美國物理學家奧本海默等人證實了天體能坍縮為黑洞，不過他們的證明有一定的前提條件——該天體是一個完美的球體。

然而，宇宙中并不存在這樣的完美球體。那么，外形不“達標”的天體會坍縮成黑洞嗎？20世紀60年代，羅杰·彭羅斯發現黑洞內部的物質會在強大引力的作用下變成一個密度無窮大的點，即奇點。20世紀70年代，羅杰·彭羅斯和史蒂芬·霍金一起提出并證明了奇點定理（此前有其他人提出類似內容，但這些內容并不完善，羅杰·彭羅斯和史蒂芬·霍金予以完善并給定了條件）。這個定理給出了奇點和黑洞在宇宙中存在的條件，給天文學家搜索黑洞指明了方向。

銀河系中的超大黑洞

盡管科學家預言并從理論上證明黑洞的存在，但是黑洞因為種種原因難以被探測到。所以，在很長一段時間里，不少科學家仍然不相信黑洞存在。

賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲經過觀測、研究，在銀河系中心發現了一個超大質量致密天體。

賴因哈德·根策爾進行天文觀測，發現繞著銀河系中心運動的氣體云的速度實在太快。于是，他提出：那里存在一個看不見的超大質量的天體，才能產生巨大的引力，從而讓那些氣體云留在現有軌道上。

安德烈婭·蓋茲對銀河系中心人馬座A*中一顆名為S2的恒星特別關注，通過分析其可變光譜計算出這顆恒星的速度變化值，結果發現了引力紅移現象。引力紅移現象，正好能證明S2所處的區域有一個超大質量黑洞。

兩人帶領的研究小組繪制了離銀河系中心最近的一批最亮恒星的軌道，得到了一致的結果：有一個看不見、非常重的物體，使這些恒星在周圍以驚人的速度旋轉，這個物體的質量約是太陽質量的400萬倍。而根據相關理論，可能的解釋只能是——銀河系中心存在一個超大質量黑洞。

黑洞研究的意義

首先，天文學研究是為了滿足人類的好奇心，讓人類了解宇宙究竟是什么樣子、隱藏著多少秘密。在這些秘密中，黑洞是一個讓很多人感到好奇的大秘密，依賴于現代科技手段，科學家才能揭開籠罩在它“臉上”的神秘面紗。比如，人們曾經以為黑洞是只進不出的“貔貅”;后來，史蒂芬·霍金等人提出，黑洞會“打嗝”，時不時向外噴射能量和物質。人馬座A術可能存在一個超大質量黑洞，同時它也是十分明亮的射電源，這是因為那個超大質量黑洞會釋放海量能量，那些能量可以讓明亮的類星體形成。

其次，黑洞研究在未來會有一些實際的用途。比如，黑洞研究可為星際航行服務。毋庸置疑，如同科幻小說描寫的那樣，宇宙飛船等飛行器遭遇黑洞是很可怕的事情。未來，人們在星際航行時可以利用太空地圖，避開地圖中所標注的黑洞。又如，一些科學家認為，黑洞蘊藏著大量物質和能量，人類以后可以將黑洞用于發電。