黑洞和銀河系「最黑暗」的秘密，你了解多少
◎?科技日報記者 張夢然 實習記者 余昊原
2020年，三位科學家因發現了宇宙中最奇特的現象之一——黑洞而獲得了今年的諾貝爾物理學獎。
羅傑·彭羅斯（Roger· Penrose）的研究表明，相對論理論有力預測了黑洞的形成；賴因哈德·根澤爾（Reinhard·Genzel）和安德里亞·蓋茲（Andrea·Ghez）則發現，一個隱形且極重的物體，控制著我們銀河系中心恆星的軌道，而超大質量黑洞則是目前唯一已知的解釋。
2020年諾貝爾物理學獎頒獎現場。圖源：央視新聞
所有已知規律均在其中失效
一個超重的怪物，會捕獲進入其「狩獵範圍」的所有物體，沒有什麼可以逃脫，甚至光也不行，這就是黑洞。在許多文學形式中，黑洞一詞都有了其更深的含義，但對於物理學家，黑洞始終是巨型恆星自然耗盡死亡後的產物。
愛因斯坦1915年發表了廣義相對論，顛覆了之前所有有關時空的概念，引力塑造了宇宙的最大範圍，而相對論為理解引力提供了一個全新的基礎。20世紀30年代末，物理學家羅伯特·奧本海默計算出了一顆大質量恆星的劇烈坍塌。（奧本海默後來領導了「曼哈頓計劃」，該計劃成功製造了首顆原子彈）。當質量為許多倍的大質量恆星耗盡燃料時，它們首先爆炸成超新星，然後坍縮成密度極高的殘骸，其引力之大能將一切都拉進內部。
但這些，一直被認為是純粹的理論推測，直到羅傑·彭羅斯，首先成功地為所有坍縮物質找到了一個現實的解，其利用巧妙的數學方法表明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接預測結果，儘管愛因斯坦本人並不相信黑洞確實存在。
在愛因斯坦去世十年後的1965年1月，羅傑·彭羅斯證明了黑洞確實可以形成並對其進行了詳細描述，黑洞隱藏著不能被人理解的奇異之處，所有已知的自然規律在其中都失效了。自愛因斯坦以來，羅傑·彭羅斯的開創性論文，被視為對廣義相對論的最重要貢獻。
圖說：光錐展示光線在時間上向前和向後的路徑。當物質坍縮並形成黑洞時，穿過黑洞事件視界的光錐將向內轉向奇點。
答案只有一個：超大質量黑洞
賴因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲各自領導著一組天文學家，自1990年代初以來，他們一直專註於銀河系中心的一個區域。
隨著精確度的提高，他們成功繪製了離銀河系中心最近的最亮恆星的軌道。這兩組測量結果都發現：有一種看不見、卻非常重的物體，使得這些恆星在其周圍以驚人的速度旋轉。
賴因哈德·根澤爾得知自己獲得了諾貝爾物理學獎。
這個看不見的物質，在不超過我們太陽系的範圍里，竟然有400萬個太陽質量那麼重。這是什麼？根據當前的引力理論，可能的解釋只有一個——超大質量黑洞。
賴因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲使用世界上最大的望遠鏡，開發出了方法，可以通過巨型星際氣體和塵埃雲看到銀河系的中心。他們擴展了技術極限，完善了新技術，補償了地球大氣層造成的扭曲，製造出的獨特儀器可被用於長期研究。他們的開創性工作，為我們提供了迄今為止最令人信服的證據，表明銀河系中心有一個超大質量的黑洞。
如果有什麼是永恆的？那就是未知
羅傑·彭羅斯的研究告訴我們，黑洞是廣義相對論的直接結果，但在無限大的奇異性引力中，該理論不再適用。科學家正在理論物理學領域中進行大量工作，以創建新的量子引力理論。這必須將物理學的兩個支柱——相對論和量子力學——二者結合在一起，而它們，將在黑洞的極端內部相遇。
同時，賴因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲開創性工作為廣義相對論及其預測進行了精確檢驗，很可能還將為新的理論見解提供線索。
黑洞想像圖。圖源：視覺中國
無論如何，宇宙還有許多秘密和驚喜尚待發現。
「不僅是關於它們的內部結構的問題，而且還有關於如何在黑洞緊鄰的極端條件下，測試我們的引力理論的問題。」諾貝爾物理學委員會主席戴維·哈維蘭德（David Haviland）表示。他認為，正是今年獲獎者的發現，為研究緊湊和超大質量天體開闢了新天地，但是這些奇特的物體仍然向人類提出許多問題，激發著人們通過未來的研究給出答案。
來源：科技日報 文中圖片除標註外均來自諾貝爾獎官網
編輯：劉義陽
審核：王小龍
終審：冷文生
