揭示黑洞和银河系中心秘密的诺贝尔物理学奖

席金合

北京时间2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍

2020年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2020年诺贝尔物理学奖，一半授予英国物理家罗杰·彭罗斯，另一半授予德国物理学家莱因哈德·根泽尔和美国天文学家安德里亚·格兹，以表彰他们发现了宇宙中最奇特的现象——黑洞。

他们三人虽然研究方向相同，但探索途径各异。彭罗斯巧妙运用数学方法，结合广义相对论，证明宇宙中有一种看不见的天体，能把一切东西俘获过来，并全部吞掉。任何东西，哪怕是光线，在它面前都无法逃脱，这个天体就是黑洞。而根泽尔与格兹通过各自的研究探测，得出一致结论：在靠近银河系中心区域，有一个类似黑洞的超大质量（暂且理解为重量）的天体，从而揭示了银河系中心的秘密。

黑洞究竟是什么

浩瀚无垠的宇宙，除了星球和空间之外，还隐藏着不为人知的奥秘。

人们对宇宙的观测以视觉为主。我们之所以能看见东西，是东西自身发出的光或反射的光，进入眼睛后刺激视觉神经的缘故。所以，对不发光和不反射光线的物体，我们难以感知其存在，黑洞就属于这种神秘莫测的天体。它不仅不发光，反而以极大的引力，把来自外界的任何东西包括光线在内，都统统吸入其中，永远不会再出来。即使用极亮的探照灯向黑洞射去，它也不会发亮。所以，黑洞是密度（内部物质紧密程度）极大的超重天体，让人觉得像无底黑洞一样。

即使是从黑洞上取下黄豆大小的一

M87星云以明显的椭圆状特征著名，在它的中央区的黑洞有惊人的喷出物，喷出的距离达数千光年;从黑洞核心处啧出的高速电子和粒子就是黑洞作用的产物块，也足有地球那么重，而与地球等大的黑洞，产生的引力却是无穷大。更奇妙的是，黑洞强大的引力会使时间变慢。距离黑洞很远的光线，虽然不会被吸入，但会发生弯曲，距离越近弯曲得越厉害。

黑洞是如何形成的

黑洞是由宇宙中的大型天体，在发生突变时聚变而成。目前主要有以下三种猜想：

一、恒星演化成黑洞。大质量的恒星到了晚期，内部的核燃料耗尽，在冷却过程中，随着热膨胀力和对外辐射作用的消失，导致引力难以平衡。于是，无休止地向中心塌陷而收缩的同时，向外发射冲击波，使外层物质猛烈向星际空间抛射。最终，中心的残骸变成密度极大的天体，如果质量超过三个太阳的质量，就属于黑洞。

二、星系中心演化成黑洞。散布在宇宙的星系达1000亿个，每个星系由无数颗恒星组成，如地球所在银河系及相邻的仙女系等。由于星系中心的恒星很密集，难免互相碰撞，那么由此产生的几个超重的天体如果发生聚合和收缩，便会形成质量超过太阳1亿倍的黑洞。

三、宇宙大爆炸形成黑洞。宇宙形成之初，是一个温度和密度高得无法想象的点，这个点极不稳定。大约在137亿年前，突然发生爆炸，产生巨大的冲击力，把一些碎块挤压得极其紧密，最终形成肉眼看不见、质量却接近地球的微小黑洞。

如何探测黑洞

黑洞虽然不能直接观测到，但其强大的引力，能影响附近天体的运动。因此，根据一些天体的质量大小和运动情况，可推知黑洞的存在。

1992年，人们用哈勃望远镜观察到，在距地球5200万光年的M87星系中心，有一个由大量恒星聚集而成的光亮区域，由此推断，多个恒星能聚集在一起，中心应当由一个质量大于太阳90倍的天体吸引着，这个天体可能是黑洞。同年7月，美国两位天文学家宣布：宇宙深处有一个星系，环绕其中心运转的恒星，质量一般，但速度惊人。由此推断，被恒星环绕的，可能是一个质量相当于整个太阳系、密度是太阳10亿倍的黑洞。

物体被吞噬前，会沿着黑洞外围疾速旋转，并甩裂成高速旋转的气流，在摩擦产生高温的同时，释放X射线。因此，借助来自宇宙深处的X射线，可以找到黑洞。天文学家观测发现：有大量的气体物质，源源不断地由天鹅座的一颗主星，流向身为X射线源的伴星。如果能计算这个伴星的重量和密度，就能判定其是否为黑洞。

银河系里找黑洞

50多年来，天文学家一直猜想，银河系中心有黑洞，但又拿不出确凿证据。后来，有人发现那里有极亮的光源，便断定是一个天体在发光，就将其命名为人马座A*。20世纪60年代末，人们发现人马座A*占据了银河系中心，银河系的一些恒星者B围绕其运行。

20多年前，根泽尔和格兹分别带领团队，研究银河系中心区域，绘制了那里一些最亮恒星的轨道。两个团队都惊奇地发现，那些最亮的恒星都围绕同一个固定位置以惊人的速度运行。在那个位置上，好像有一个如同人马座A*的天体，可通过观测，却没有发现什么。于是断定，有一种很重的天体，吸引着这些恒星围绕自己旋转。这个天体虽然看不见，但约有400万个太阳那么重，体积与整个太阳系差不多。这个天体到底是什么东西？根泽尔和格兹根据观测到的恒星运行轨道，运用当时的引力理论，给出了一个令人信服的解释：在人马座A*天体附近，隐藏着一个超级黑洞。

观测黑洞不容易

银河系形同一张圆盘，直径达10万光年，其中弥漫着云气和尘埃，以及几千亿颗恒星，太阳就是其中之一。这些厚厚的云气和尘埃，遮挡了来自银河系中心的光芒。只有用功能特殊的望远镜才能穿越这种障碍，观测到银河系中心。20世纪90年代，宇宙观测技术取得了长足进步，根泽尔和格兹分别率领团队，研发出性能独特的望远镜，成功透过宇宙尘埃进行观察。

在我们头顶，厚度近100千米的大气层，随着气温变化而流动，从而使来自太空的光线，发生偏折和扭曲。这样一来，不管是用肉眼还是仪器观察太空，看到的情景都会失真。这就是星星闪烁的原因，也是星空图像模糊的原因。对此，只有在望远镜上安装特殊镜片，才能避免这种弊端，以便能清晰观察。

近30年来，根泽尔和格兹不断研究改进观测仪器，采用了灵敏的光传感器和先进的光学元件，使图像分辨率提高1000倍以上，能精确地确定恒星位置，并在夜间跟踪它们。

超越爱因斯坦

1915年1 1月，爱因斯坦提出广义相对论。如果简单地举例描述，广义相對论是说，恒星质量越大，产生的引力越大，从周围而过的光线，由于受引力作用，就越弯曲。

爱因斯坦创立了相对论，但未明确提出黑洞的存在。在他去世10年后，彭罗斯运用一系列科学理论，充分证明了黑洞形成：燃烧殆尽的恒星，由于失去辐射光线时向外的冲击力，便开始向内塌缩。如果它的质量足够大，会一直坍缩下去，变成一个奇怪的点，简称奇点。奇点的体积无限小，质量和温度却无限大。在奇点里，时间停止了，所有的自然法则不再适用，这一切实在令人无法想象。奇点外围有一个弯曲的界面，与奇点构成了黑洞，外界光线进入界面以内，就会被黑洞俘获。

显然，黑洞的形成及呈现的奇特现象，与广义相对论所描述的恒星情况基本一致。可以说，彭罗斯受相对论启示，证明了黑洞的存在。而黑洞的形成，证明了相对论的正确性。

（编辑 文 墨）