揭示黑洞和銀河系中心秘密的諾貝爾物理學獎

席金合

北京時間2019年4月10日21時，人類首張黑洞照片面世，該黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍

2020年10月6日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2020年諾貝爾物理學獎，一半授予英國物理家羅杰·彭羅斯，另一半授予德國物理學家萊因哈德·根澤爾和美國天文學家安德里亞·格茲，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中最奇特的現(xiàn)象——黑洞。

他們三人雖然研究方向相同，但探索途徑各異。彭羅斯巧妙運用數(shù)學方法，結合廣義相對論，證明宇宙中有一種看不見的天體，能把一切東西俘獲過來，并全部吞掉。任何東西，哪怕是光線，在它面前都無法逃脫，這個天體就是黑洞。而根澤爾與格茲通過各自的研究探測，得出一致結論：在靠近銀河系中心區(qū)域，有一個類似黑洞的超大質量（暫且理解為重量）的天體，從而揭示了銀河系中心的秘密。

黑洞究竟是什么

浩瀚無垠的宇宙，除了星球和空間之外，還隱藏著不為人知的奧秘。

人們對宇宙的觀測以視覺為主。我們之所以能看見東西，是東西自身發(fā)出的光或反射的光，進入眼睛后刺激視覺神經(jīng)的緣故。所以，對不發(fā)光和不反射光線的物體，我們難以感知其存在，黑洞就屬于這種神秘莫測的天體。它不僅不發(fā)光，反而以極大的引力，把來自外界的任何東西包括光線在內，都統(tǒng)統(tǒng)吸入其中，永遠不會再出來。即使用極亮的探照燈向黑洞射去，它也不會發(fā)亮。所以，黑洞是密度（內部物質緊密程度）極大的超重天體，讓人覺得像無底黑洞一樣。

即使是從黑洞上取下黃豆大小的一

M87星云以明顯的橢圓狀特征著名，在它的中央?yún)^(qū)的黑洞有驚人的噴出物，噴出的距離達數(shù)千光年;從黑洞核心處嘖出的高速電子和粒子就是黑洞作用的產(chǎn)物塊，也足有地球那么重，而與地球等大的黑洞，產(chǎn)生的引力卻是無窮大。更奇妙的是，黑洞強大的引力會使時間變慢。距離黑洞很遠的光線，雖然不會被吸入，但會發(fā)生彎曲，距離越近彎曲得越厲害。

黑洞是如何形成的

黑洞是由宇宙中的大型天體，在發(fā)生突變時聚變而成。目前主要有以下三種猜想：

一、恒星演化成黑洞。大質量的恒星到了晚期，內部的核燃料耗盡，在冷卻過程中，隨著熱膨脹力和對外輻射作用的消失，導致引力難以平衡。于是，無休止地向中心塌陷而收縮的同時，向外發(fā)射沖擊波，使外層物質猛烈向星際空間拋射。最終，中心的殘骸變成密度極大的天體，如果質量超過三個太陽的質量，就屬于黑洞。

二、星系中心演化成黑洞。散布在宇宙的星系達1000億個，每個星系由無數(shù)顆恒星組成，如地球所在銀河系及相鄰的仙女系等。由于星系中心的恒星很密集，難免互相碰撞，那么由此產(chǎn)生的幾個超重的天體如果發(fā)生聚合和收縮，便會形成質量超過太陽1億倍的黑洞。

三、宇宙大爆炸形成黑洞。宇宙形成之初，是一個溫度和密度高得無法想象的點，這個點極不穩(wěn)定。大約在137億年前，突然發(fā)生爆炸，產(chǎn)生巨大的沖擊力，把一些碎塊擠壓得極其緊密，最終形成肉眼看不見、質量卻接近地球的微小黑洞。

如何探測黑洞

黑洞雖然不能直接觀測到，但其強大的引力，能影響附近天體的運動。因此，根據(jù)一些天體的質量大小和運動情況，可推知黑洞的存在。

1992年，人們用哈勃望遠鏡觀察到，在距地球5200萬光年的M87星系中心，有一個由大量恒星聚集而成的光亮區(qū)域，由此推斷，多個恒星能聚集在一起，中心應當由一個質量大于太陽90倍的天體吸引著，這個天體可能是黑洞。同年7月，美國兩位天文學家宣布：宇宙深處有一個星系，環(huán)繞其中心運轉的恒星，質量一般，但速度驚人。由此推斷，被恒星環(huán)繞的，可能是一個質量相當于整個太陽系、密度是太陽10億倍的黑洞。

物體被吞噬前，會沿著黑洞外圍疾速旋轉，并甩裂成高速旋轉的氣流，在摩擦產(chǎn)生高溫的同時，釋放X射線。因此，借助來自宇宙深處的X射線，可以找到黑洞。天文學家觀測發(fā)現(xiàn)：有大量的氣體物質，源源不斷地由天鵝座的一顆主星，流向身為X射線源的伴星。如果能計算這個伴星的重量和密度，就能判定其是否為黑洞。

銀河系里找黑洞

50多年來，天文學家一直猜想，銀河系中心有黑洞，但又拿不出確鑿證據(jù)。后來，有人發(fā)現(xiàn)那里有極亮的光源，便斷定是一個天體在發(fā)光，就將其命名為人馬座A*。20世紀60年代末，人們發(fā)現(xiàn)人馬座A*占據(jù)了銀河系中心，銀河系的一些恒星者B圍繞其運行。

20多年前，根澤爾和格茲分別帶領團隊，研究銀河系中心區(qū)域，繪制了那里一些最亮恒星的軌道。兩個團隊都驚奇地發(fā)現(xiàn)，那些最亮的恒星都圍繞同一個固定位置以驚人的速度運行。在那個位置上，好像有一個如同人馬座A*的天體，可通過觀測，卻沒有發(fā)現(xiàn)什么。于是斷定，有一種很重的天體，吸引著這些恒星圍繞自己旋轉。這個天體雖然看不見，但約有400萬個太陽那么重，體積與整個太陽系差不多。這個天體到底是什么東西？根澤爾和格茲根據(jù)觀測到的恒星運行軌道，運用當時的引力理論，給出了一個令人信服的解釋：在人馬座A*天體附近，隱藏著一個超級黑洞。

觀測黑洞不容易

銀河系形同一張圓盤，直徑達10萬光年，其中彌漫著云氣和塵埃，以及幾千億顆恒星，太陽就是其中之一。這些厚厚的云氣和塵埃，遮擋了來自銀河系中心的光芒。只有用功能特殊的望遠鏡才能穿越這種障礙，觀測到銀河系中心。20世紀90年代，宇宙觀測技術取得了長足進步，根澤爾和格茲分別率領團隊，研發(fā)出性能獨特的望遠鏡，成功透過宇宙塵埃進行觀察。

在我們頭頂，厚度近100千米的大氣層，隨著氣溫變化而流動，從而使來自太空的光線，發(fā)生偏折和扭曲。這樣一來，不管是用肉眼還是儀器觀察太空，看到的情景都會失真。這就是星星閃爍的原因，也是星空圖像模糊的原因。對此，只有在望遠鏡上安裝特殊鏡片，才能避免這種弊端，以便能清晰觀察。

近30年來，根澤爾和格茲不斷研究改進觀測儀器，采用了靈敏的光傳感器和先進的光學元件，使圖像分辨率提高1000倍以上，能精確地確定恒星位置，并在夜間跟蹤它們。

超越愛因斯坦

1915年1 1月，愛因斯坦提出廣義相對論。如果簡單地舉例描述，廣義相對論是說，恒星質量越大，產(chǎn)生的引力越大，從周圍而過的光線，由于受引力作用，就越彎曲。

愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，但未明確提出黑洞的存在。在他去世10年后，彭羅斯運用一系列科學理論，充分證明了黑洞形成：燃燒殆盡的恒星，由于失去輻射光線時向外的沖擊力，便開始向內塌縮。如果它的質量足夠大，會一直坍縮下去，變成一個奇怪的點，簡稱奇點。奇點的體積無限小，質量和溫度卻無限大。在奇點里，時間停止了，所有的自然法則不再適用，這一切實在令人無法想象。奇點外圍有一個彎曲的界面，與奇點構成了黑洞，外界光線進入界面以內，就會被黑洞俘獲。

顯然，黑洞的形成及呈現(xiàn)的奇特現(xiàn)象，與廣義相對論所描述的恒星情況基本一致。可以說，彭羅斯受相對論啟示，證明了黑洞的存在。而黑洞的形成，證明了相對論的正確性。

（編輯 文 墨）