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读懂2020诺贝尔物理学奖:黑洞和银河系最黑暗的秘密

专题:2020年诺贝尔奖

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。

 

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