如何找到黑洞？

可以利用中心天体的引力效应，观测其对周边区域其它物体的作用，以此测量中心天体的质量，并确定其密度，以及这样的密度是否必须由黑洞来解释，从而找到并验证黑洞。  以下内容引用自2021腾讯科学WE大会 Reinhard Genzle 演讲 尽管广义相对论早已预言了黑洞的存在，但我们如何通过观测来进行验证？天体物理学家Reinhard Genzel从百年前的理论预言说起，娓娓介绍黑洞存在的初步证据——类星体，再详细讲述了通过气体云和银心星团的观测来验证银心黑洞的全过程。他与团队不断建造并升级观测设备和技术，历经长达40年的观测研究，最终获得了迄今为止最令人信服的证据，证明银河系中心确实存在一个超大质量黑洞，并因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。 现在，让我们跟随Genzel的脚步，再次回顾这一趟漫长而又激动人心的旅程——  以下为演讲全文：  亲爱的观众们，女士们先生们，今天我想邀请大家与我共赴一场旅程，一场宇宙穿梭之旅。 我是一名天文学家和天体物理学家，我将向大家分享我们对宇宙的探索。就像在森林中探险一样，当我们走进一座森林，我们会惊叹于从未见过的参天大树，还有红色蓝色等各种颜色的花朵。随着探索的深入，还会发现更多的新奇，然后我们就想去了解森林生态是如何运行的。比如我们会发现蓝色的花只在路的左边才有，为什么？这就类似于天文学要通过物理学来研究的问题。 今天的演讲凝结了我40年来的研究成果，接下来且听我细细道来。 我们的宇宙由无数的星系组成，比如众所周知的（我们所在的）银河系，当某个夏夜我们望向天空，我们会看到条带状的银河系。银河系就是所谓的“螺旋星系”，它是一个旋转的扁平系统。太阳位于银河系的边缘，距银河系中心约2.7万光年。 在这张照片上，我们可以看到银河系的旋臂（星系边缘的螺旋形带状结构），这些旋臂由恒星组成。而整个银河系大约有1000亿颗恒星，它们构成了银河系质量的绝大部分。但恒星之间也存在一些物质，我们称之为星际气体和尘埃。实际上这些物质对形成新的恒星来说非常重要。  今天我要说的重点就是银河系的中心。这也是所有天体物理学家关注的焦点。  在开始今天的探索之旅之前，或者说介绍我们的研究成果之前，我想先播放一段视频，让大家对今天的旅程先有一个大致的了解。大家会看到我们穿梭在银河系之中，会看到恒星，看到星际尘埃和气体云，最后到达银河系的中心。 首先我来说一说这背后的物理学知识。我们的银河系当然也依赖于引力——引力是两个物体之间的相互作用力，这是大家都知道的。  人类早已对太阳系有了研究，比如布拉赫和开普勒，以及17世纪的伽利略。我们都知道，如果质量大到像太阳一样，那么行星就会被太阳的引力所吸引，并按照一定的轨道运行，围绕着太阳进行公转。 1915年，爱因斯坦提出了一个更数学化的物理学理论，对引力现象进行了更广泛的阐释，这就是广义相对论。广义相对论将物体之间的引力加入了运动的演化中，它考虑到引力不只存在于太阳和恒星这样静质量不为零的天体之间，也会影响光这样的电磁辐射。稍后我会深入地说一说。 1915年爱因斯坦提出了引力场方程，我们突然间有了一个更普适的引力理论，实际上这一理论也预测了整个宇宙演化的最终命运。  一年后，卡尔·史瓦西，就是照片最上方的那个人，给出了广义相对论复杂数学方程的第一个解。接下来的50年，罗杰·彭罗斯、罗伊·科尔和史蒂芬·霍金等科学家，进一步完善了对于广义相对论中新现象的数学研究。 广义相对论的预测之一，就像我刚才说的，就是光子或轻粒子也有引力。这当然是牛顿当年没有想过的。  如果我们面前有一个地球和一个太阳，我们去观察太阳背后的一颗恒星。大家看这张照片，太阳背后的恒星发出的光向着太阳的方向发生了弯曲。那么当我们去观察太阳和恒星发出的光时，就好像这些光是从太阳上方射过来的，而不是从太阳背后直接射过来的。广义相对论预测了这种光的弯曲效应。  短短几年后的1919年，大西洋中心海域上空观测到了日全食现象，英国的几位物理学家在那里观测了日食背后的恒星，以及太阳前方的月亮，并精确测定了太阳背后的那些恒星的位置。他们当然知道当太阳不在时这些恒星的精确位置，而他们发现广义相对论的预测是完全正确的。因此这是一个里程碑，爱因斯坦也因此名扬天下，这是很重要的一个事件。  我们都知道，当我们跳起的时候，地球引力会把我们拉回地面。那么如果我们想在太阳表面发射火箭，根据牛顿的公式我们可以算出火箭的速度要达到约每秒600公里，才能挣脱太阳引力进入外太空。 牛顿定律中的这一发现基于太阳的质量，太阳的质量越大，引力就越大。当然也取决于太阳的体积。所以如果太阳的体积变小，那么引力会变大。  大家可以想象一下另一个小得多的太阳，比如半径只有3公里，那么火箭想要挣脱太阳引力所需要的速度就要达到每秒30万公里，也就是达到光速。各种著名的实验都证实了，光速是宇宙中的最快速度，任何有质量的物体都无法达到或超过光速。也就是说，如果你把这个想象出来的小太阳的体积再缩小一点点，那么逃逸速度就会变得更大（超过光速），这一天体周围会出现一个叫做事件视界的区域。（视界的内部）与宇宙的其它部分是隔绝的，甚至连光都无法逃逸，更别说火箭了。这就是我们说的“黑洞”。 广义相对论中预测存在的黑洞还有另一个特性。如果让火箭飞向黑洞中心，那么一旦穿过事件视界进入黑洞内部，就永远无法与外部区域通信，并在有限的时间内到达黑洞中心。任何物体都注定会到达黑洞的中心。也就是说在黑洞的中心，所有具有质量的物体都会被收缩进一个密度无限大的点，我们称之为“奇点”。  这是一个奇怪的预测。这个预测准确吗，我们不知道，因为我们无法去到黑洞的中心。这就是广义相对论的理论。 那么问题是：黑洞真的存在吗？如果真的存在，我们如何找到它？如果它不发光（因为它叫黑洞），那么我们如何看到它？ 实际上我们是通过引力作用来观测到黑洞的。再回想一下太阳和太阳系，假设太阳的体积小到成为了一个黑洞，同时其它性质保持不变，质量保持不变。在这种情况下，我们再来观测太阳系的行星（从而确定黑洞的存在），而开普勒定律会给我们答案。距离最近的行星会比其它行星的运行速度更快，围绕太阳的运行速度大约是1除以到太阳距离的平方。即使有黑洞这也是成立的。 我们就是这样寻找黑洞的，通过引力对周边区域其它物体的作用来测量中心天体的质量，并确定它的密度，以及这样的密度是否必须由黑洞来解释。这就是我们发现黑洞的方法。 关于黑洞存在的证据最早源于上世纪60年代，之后射电天文学家开始观测天空并对射电波进行测绘。他们在射电频段上发现了亮度极高的射电源，但在光学板上各个星体只呈现出模糊的小点。在观察光学板上这些星体的详细光谱时，如果你观察光谱的不同频段，你会发现一些锋利的谱线。这些谱线我们早已熟悉，来自于氢气、氦气和氖气等等，但这些光谱线相比地球上的实验室得出的结果发生了16%的红移。  这些试验是马丁·施密特通过美国加州的帕洛玛望远镜完成的。他的结论是，红移现象一定是宇宙膨胀导致的。任何越来越远离我们的物质都会发生红移现象，并且离得越远，红移程度越大。  在这个试验中，16%的红移意味着这个模糊的星体距离地球有24亿光年。24亿光年对于现在来说并不算很远，但在上世纪60年代，那是非常遥远的距离了。  实际上，那个星体的能量输出和亮度是整个银河系的一千倍。很显然光来自于一个密度极大的区域。这怎么可能？  答案之一就是那是一个黑洞。但等一下，刚才我说了黑洞无法发光？  其实，如果黑洞存在，它会吸引周围的物质，无论是气体还是星体，都会被吸引而掉向黑洞，就像飞机螺旋式下坠一样。但在它消失于事件视界内并再也看不到之前，它会在视界的外部将引力能转化为热能和辐射能，这一过程比核聚变的效率高一百倍。核聚变也是太阳发光发热的原理，通过核聚变将氢转变为氦和其它元素。 对于如此高效的能量转化，静质量的很大一部分会被转化为能量辐射出，也就是我们所说的MC2（质能等价方程），将其转化为辐射能。  这就产生了一个巨大的悖论，一方面我们看不到这些天体（黑洞），更别说事件视界之内的区域；而另一方面它们很显然正在产生大量的辐射能。  那么回到那个问题，那是一个很好的假设。对于科学来说假设只是一个开始，我们需要通过实验来验证或推翻假设。 我们如何验证这些类星体确实是黑洞？ 刚才我说过可以通过观测（黑洞）周围的星体的运动来发现黑洞，但这些类星体距离太遥远了。英国的两位理论物理学家林登·贝尔和马丁·里斯在1971年发表了一篇影响重大的论文，他们提出如果存在能够赋予类星体能量的黑洞，那么也许这些黑洞也存在于其它星系，而不只是存在于这几个类星体，也许黑洞无处不在。  现在我们确实认为每个星系的中心都存在一个巨大的黑洞，星系和黑洞在演化上紧密相关。它们的演化也是基于约137亿年前发生的宇宙大爆炸后的宇宙演化而进行的。  那么在无法去类星体验证的情况下，如何证明黑洞的存在？ 我们可以选择距离较近的星系，而距离我们最近的就是银河系。科学家们想到的方法就是寻找银河系中心的探测粒子，观察这些粒子如何运动，并确定是否存在质量高度集中的区域，从而判断可能或者肯定有黑洞存在。  这些研究始于上世纪七八十年代。这里有一个技术性问题，由于星际尘埃和气体的存在，我们无法从地球上直接看到银河系的中心。星际尘埃阻挡了几乎所有可见的电波，因此我们需要观测波长更长的电磁波，也就是红外波甚至射电波，从而观测到银河系的中心。 就像这样。这是天文望远镜观测到的几光年外发出的红外波。我们可以看到恒星大量集中，比太阳系星体的集中度高出100万倍。如果地球处在这个区域里，那么夜晚将会是异常明亮的。这就是我们想研究的地方。  那么如何找到黑洞呢？射电天文学家发现了一处致密射电源。它的密度非常高，它的半径只有40µas（微阿秒，一种天文学长度单位），这种密度就相当于月球半径只有20厘米。而事件视界周围区域的质量相当于几百万个太阳的质量。 那里不仅有星体和射电，在中心区域还有气体。粉色部分是电离气体，绿色部分是惰性气体。因此科学家运用了红外光谱学，通过观察该区域的红外射电和气体的多普勒运动来确定是否存在物体。 查尔斯·汤斯因其发明了激光和微波激射器获得了1964年的诺贝尔物理学奖，他晚年转至美国加州大学伯克利分校，在那里培养博士生和博士后，我就是其中一员。 当时我们观测了这个区域以及气体云的运动，发现如果以距中心的距离和该距离内所包含的总质量为横纵轴作图，那么当考虑的距离较大时，质量会随着距离而变化。这是因为射电源周围有其他质量（恒星或气体）分布造成的。但进入到距中心仅几光年的位置时，质量不再变化，而此时质量相当于几百万个太阳。 到上世纪80年代中期，我们在伯克利的研究团队找到了确凿的证据，首次证明了这个质量巨大的物体的存在，一个巨大的黑洞，也就是类星体的发现者们谈论的以及广义相对论预测存在的黑洞。 这是真的吗？也许是真的。但一些同事还是完全无法信服。因为他们觉得气体并不是一个很好的追踪引力的对象，磁场或来自星风可以把气体吹散。恒星才是更好的研究对象。另一个原因是几光年的距离已经是视界半径的一百万倍了，所以我们研究的区域距离事件视界还有相当的距离。因此有理由怀疑那是不是黑洞本身的质量。 也许有其它更适合的研究对象，比如由100万颗中子星或者我们看不到的暗星组成的星群。因此我们不得不推倒重来。 我去到了德国，在马克斯·普朗克外层空间物理研究所建立了新的研究团队。我们建造了能够精确观测恒星运动的新设备，这需要大量的技术新的探测器以及大型天文望远镜，从而测量恒星的运动。 几年后由安德烈娅·盖兹领导的团队也启动了相同的实验。他们使用的是位于夏威夷冒纳凯阿的凯克天文望远镜，我们当时使用的是位于智利的欧洲南方天文台的望远镜。盖兹他们在加州和夏威夷开展研究。 我们看这张照片，也就是黄色十字代表的人马座A星的射电源中心的那个圆圈。我们可以通过将不同年份标记为不同颜色来对比星体运动，第1年红色，第2年绿色，第3年蓝色。 我们用肉眼就可以发现，在非常靠近射电源的地方恒星正在移动。速度是多少？它们的运行速度相当于地球公转速度的一百倍，运行的尺度只有大概一光年左右。 这样我们就可以计算出中心天体的质量，仍然是几百万个太阳质量，和十年前的结果相同，但现在这一结论是用更可靠的追踪对象得到的。 但那里一定是黑洞吗？ 现在距黑洞的距离仍然是事件视界半径的10万倍，你仍然可以认为这一巨大的质量来自于一些别的质量分布，而不是来自于一个黑洞。因此研究还要继续下去，我们需要分辨率更高的照片。 除了计算恒星的平均运行速度，我们也开始思考是否能找到运行速度极快且非常靠近黑洞的恒星，这样就可以追踪它的运动轨道。 大自然已经对我们足够好了，所以我们不能总是希望在宇宙探索中有所发现，我们并不能像在实验室一样通过设备去进行研究。 但是现实是，大自然确实给了我们一些（距离很近的）恒星。尤其是这个恒星，它距离射电源只有17光时（光时：光一小时走过的距离），17光时相当于海王星绕日轨道半径的4-5倍。它在2002年运行到了距离射电源17光时的地方，运行速度相当于光速的2.5%。这是难以置信的，我们从没见过这么快的速度，不需要多少分析我们也能知道。 这个恒星现在距离那个质量相当于几百万个太阳的天体肯定不到17光时了，除非那里有黑洞（否则无法解释）。 另一个需要证明的关键点就是我们的计算结果。我们用智利的望远镜（蓝色）和盖兹用凯克望远镜（红色）得出的结果完全一致。 这对科学来说至关重要。你可以得出任何结论，但结果必须能够被重复验证才能令人信服。而我们观测到的也不只这一个恒星，我们发现了一组这样的恒星，并逐步绘制了以射电源为中心的恒星轨迹图。 目前有大约50个恒星，有些距离射电源很近有些较远，一些拥有高偏心率的椭圆轨道，其他的轨道则更接近在一个平面内。我也无法完全解释，现在我们仍然不知道这些恒星是如何运动到它们现在所处的位置的。 这些恒星的形成时间都不长，它们并没有足够的时间去移动到如此接近黑洞的地方。因此肯定还有我们尚未理解的过程。 但就像我说的，大自然对我们很好，它给了我们这些恒星，我们可以通过这些恒星去追踪引力势能，并画出详细的星体图。 大约在十年后的2005年左右，我们开始思考如何得出更确定的结论。我们已经确定那里有物体（也许是黑洞），我们对它质量的估计的准确性有10%左右。 这已经很不错了，但它肯定是黑洞吗？我们一直在问这个问题：它肯定是黑洞吗？ 很遗憾，答案仍然是一样的：它可能是一个黑洞。它符合黑洞的特性，但也不一定就是黑洞。我们还需要更深入的研究。 我们是基于广义相对论进行相关计算的，但前提是广义相对论在那个从未有人做过实验的极端环境中依然是成立的。 我们确定那颗（围绕射电源公转的）恒星会回来，它按椭圆形轨道运行，公转周期16年。所以2018年我们会再次观测到它。如果我们加倍努力，也许就能有进一步的发现。 那如何做到呢？ 智利的天文望远镜位于圣地亚哥市以北一千公里的阿塔卡玛沙漠，也就是欧洲南方天文台所在地。那里有4座直径8米的超大型天文望远镜，但目前我们只用了其中一座。 射电天文学家60年前就知道，我们可以通过合并两座相距遥远的天文望远镜的光来提高分辨率，也就是通过光的干涉来提高分辨率。 所以我们也可以这么做，但相比于射电来说难度更大。因为我们关注的波段波长更短，而地球大气层很不稳定，只需要一毫秒波形就会被破坏。所以这是一项技术上极具挑战的实验，但我们由弗兰克·艾森豪威尔领导的团队做到了。 来自欧洲各个研究所和欧洲南方天文台的研究员组成的团队搭建了一个叫做“Gravity”的仪器，它可以将来自四个望远镜的红外波段的光进行干涉，现在我们将分辨率和天体位置测量精度提高了10-50倍。然后我们要做的就是等到2018年那个恒星再次出现，我们再去验证广义相对论是否成立。 说到“Gravity”的超高分辨率，我们来看这张月球照片。我们看到，它可以分辨月球表面的一枚欧元一分硬币，相当于10µas（微阿秒），这也是分辨星系中心黑洞的事件视界所需的角分辨率。 研究早期的照片都是很模糊的，我们能看到单个星体但不清晰。后来我们开始使用大型天文望远镜和自适应光学技术，得到了高分辨率照片。照片中我们可以看到围绕射电源的整个星群，也就是人马座A星（射电源）。 通过这些年的观测和计算，我们可以了解整个星系的运动。有了“Gravity”之后，我们可以获得围绕射电源中心的高分辨率照片。 令人惊喜的是，今年的照片还捕捉到了除人马座A星之外的其它4个星体，所有这些星体都聚集在不超过太阳系空间的范围内。它们的运行速度极快，对它们的研究是一项巨大的实验，来验证引力理论。我们可以观察它们每天或几个月内的活动，我们可以看到黑洞是如何聚集这些恒星的，并以此来推测引力势能以及引力场的特性。 我们的研究已经走过了一段很长的路，从最初的观察气体云的活动到观察恒星的运动，再到观察某个恒星的轨道，一直到现在同时观察多个恒星的轨道。我们对恒星运动的观察已不再是以年为单位，而是精确到每一天。这让我们可以验证广义相对论，目前误差率只有不到0.1%，具体是5x10-4，这是极其精确的观测。 那么我们看到了什么？我们发现的与牛顿定律相背离的现象之一就是引力红移。如果一颗恒星围绕着像黑洞一样质量巨大的天体在运行，那么射向我们的光子的部分能量会转化为引力势能，这就会导致光子红移。从下方照片可以看出，根据牛顿的理论，波长关于时间的函数会是一条直线，但我们看到实际上波长增加了约0.05%。我们的数据精确地验证了广义相对论对这条红色曲线的预测。 我们要验证的第二点就是广义相对论对轨道的预测。就像我刚才提到的，根据牛顿的理论，各个行星以太阳为中心按照一定的轨道运行，如果没有其他干扰的话，轨道是稳定的。但广义相对论的看法则不同，根据广义相对论的预测，如果存在黑洞且恒星围绕其进行轨道运动，那么轨道会随着时间推移越来越靠近黑洞，也就我们所说的顺行轨道。 那颗恒星的轨道每16年顺行12弧分（又称“角分”，天文学中的一种角度单位，1弧分=1/60度），通过数据我们也可以看到轨道蜷缩，也就是轨道向着黑洞的方向移动。 我想再重复一下，牛顿理论预测轨道不会发生任何变化，而广义相对论则预测了很强的红移效应，我们的测算也完全验证了广义相对论的预测，最终我们也在红外区域看到了人马座A星。  这是一个非常易变的射电源，红外区域的辐射能很可能来自磁场中的高能电子。这就是我们所说的电磁爆，一旦发生电磁爆，我们会看到那个红外辐射中的小点（指Sagittarius A）围绕着中心位置运动，轨道半径大约是黑洞事件视界半径的几倍，运行速度大约为光速的三分之一。这些数据也吻合了我们对黑洞的预测。 我们的研究已经走过整整40年了，我们穿越的距离是事件视界半径的一百万倍。这期间不断有研究员加入我们，而我们在各种研究中也验证了同样的发现，那里很可能有且只有一个致密天体，也许还有一些恒星级黑洞，但主要就是一个天体（黑洞）。各种物理学特性也符合完全广义相对论的预测。  这就是研究者的幸运。当我们探索森林时，我们会去发现自然赋予了我们什么，然后我们成功了。  但在这个领域我们并不是唯一取得如此成果的人。盖兹、彭罗斯和我共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。我们的研究成果只是在这个极限领域验证广义相对论的突破之一，他人的成果包括发现了两个恒星级黑洞结合时的引力波，这就是最近几年的成就，也将我们引向类似的结论，计算结果也与广义相对论完全吻合。但这两个黑洞的质量并没有几百万个太阳那么大，而是三四十个太阳那么大。  射电天文学家也对这些亮度极高的类星体进行了观测，他们发现确实像广义相对论预测的那样，天体质量中心旁边的光是弯曲的，射电波向下倾斜形成了阴影，这也完全契合了广义相对论的预测。  从爱因斯坦到现在相关研究已历经百年，我们已经做完了所有的事情吗？我们的宇宙探索已经完成了吗？ 并没有。我们还希望解答更多的问题——视界的内部是什么？奇点是什么样的？这些黑洞真的曾经对银河系和其它星系的演化产生了重要影响吗？  谢谢大家！ 原文链接：//shuzhiren.com/post/107260.html