看向宇宙中最黑暗的地方

杨先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？黑洞！此外，黑洞还被公认为宇宙中最神秘的天体之一。因为难以被探测，它也一度被认为是仅存在于科幻小说中的天体。然而，随着科学家的深入探索，越来越多的证据表明黑洞的确存在于宇宙中。

2020年，诺贝尔物理学奖首次颁发给了研究黑洞的科学家，他们分别是英国理论物理学家罗杰·彭罗斯和德国天文学家赖因哈德·根策尔、美国天文学家安德烈娅·盖兹。

看不见的天体

1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，指出万有引力的本质是时空弯曲。很快，德国物理学家史瓦西根据该理论，推导出天体的视界半径，即天体能被人类看见的最小半径。后来，科学界称之为史瓦西半径。如果一个天体的半径大于其史瓦西半径，它能被我们看到;反之，它会消失于我们的视野中。

那么，宇宙中真有“隐身”的天体吗？一些天体在燃料逐渐消耗的过程中不断坍缩，半径逐渐减小。如果它们坍缩到半径比其史瓦西半径还小，我们就看不到它们了。但是，它们依然真实存在。后来，这类天体被命名为黑洞。

比如，太阳现在的半径约为69.6万千米，而其史瓦西半径只有约3千米，所以我们现在能看到太阳;数亿年后，太阳如果坍缩到半径小于其史瓦西半径，就会变成一个黑洞。又如，地球的平均半径为6371千米，假如有一种力量将地球不断压缩，使其半径缩小为9毫米，地球也会成为黑洞。

证明天体坍缩成黑洞

虽然科学家早就根据广义相对论预言了黑洞的存在，但是之后20多年有一个问题一直悬而未决：天体真的会坍缩成黑洞吗？

1939年，美国物理学家奥本海默等人证实了天体能坍缩为黑洞，不过他们的证明有一定的前提条件——该天体是一个完美的球体。

然而，宇宙中并不存在这样的完美球体。那么，外形不“达标”的天体会坍缩成黑洞吗？20世纪60年代，罗杰·彭罗斯发现黑洞内部的物质会在强大引力的作用下变成一个密度无穷大的点，即奇点。20世纪70年代，罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金一起提出并证明了奇点定理（此前有其他人提出类似内容，但这些内容并不完善，罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金予以完善并给定了条件）。这个定理给出了奇点和黑洞在宇宙中存在的条件，给天文学家搜索黑洞指明了方向。

银河系中的超大黑洞

尽管科学家预言并从理论上证明黑洞的存在，但是黑洞因为种种原因难以被探测到。所以，在很长一段时间里，不少科学家仍然不相信黑洞存在。

賴因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹经过观测、研究，在银河系中心发现了一个超大质量致密天体。

赖因哈德·根策尔进行天文观测，发现绕着银河系中心运动的气体云的速度实在太快。于是，他提出：那里存在一个看不见的超大质量的天体，才能产生巨大的引力，从而让那些气体云留在现有轨道上。

安德烈娅·盖兹对银河系中心人马座A*中一颗名为S2的恒星特别关注，通过分析其可变光谱计算出这颗恒星的速度变化值，结果发现了引力红移现象。引力红移现象，正好能证明S2所处的区域有一个超大质量黑洞。

两人带领的研究小组绘制了离银河系中心最近的一批最亮恒星的轨道，得到了一致的结果：有一个看不见、非常重的物体，使这些恒星在周围以惊人的速度旋转，这个物体的质量约是太阳质量的400万倍。而根据相关理论，可能的解释只能是——银河系中心存在一个超大质量黑洞。

黑洞研究的意义

首先，天文学研究是为了满足人类的好奇心，让人类了解宇宙究竟是什么样子、隐藏着多少秘密。在这些秘密中，黑洞是一个让很多人感到好奇的大秘密，依赖于现代科技手段，科学家才能揭开笼罩在它“脸上”的神秘面纱。比如，人们曾经以为黑洞是只进不出的“貔貅”;后来，史蒂芬·霍金等人提出，黑洞会“打嗝”，时不时向外喷射能量和物质。人马座A术可能存在一个超大质量黑洞，同时它也是十分明亮的射电源，这是因为那个超大质量黑洞会释放海量能量，那些能量可以让明亮的类星体形成。

其次，黑洞研究在未来会有一些实际的用途。比如，黑洞研究可为星际航行服务。毋庸置疑，如同科幻小说描写的那样，宇宙飞船等飞行器遭遇黑洞是很可怕的事情。未来，人们在星际航行时可以利用太空地图，避开地图中所标注的黑洞。又如，一些科学家认为，黑洞蕴藏着大量物质和能量，人类以后可以将黑洞用于发电。