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他们“看到”了黑洞——解读2020年诺贝尔物理学奖成果
2020-10-07 21:36:00
新华网
作者:

  新华社北京10月6日电(记者罗国芳)2020年诺贝尔物理学奖颁发给了三位获奖者,因为“他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞”。

  英国物理学家罗杰·彭罗斯证明黑洞是广义相对论的直接产物。德国科学家赖因哈德·根策尔和美国科学家安德烈娅·盖兹则发现,在我们银河系的中心,有一个看不见的、质量极大的天体控制着周边恒星的轨道,目前对这个天体的唯一解释就是一个超大质量黑洞。

  爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的空间和时间概念。他的方程式预言了黑洞的存在:大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢,一个超大质量的天体甚至能吞噬光线,从而形成一片“绝对黑暗”的空间,这就是黑洞。值得一提的是,爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

  然而,在爱因斯坦去世10年后,彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成,并对其进行了详细描述:在黑洞的核心隐藏着一个奇点,它的时空曲率无穷大,密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩,就没有什么能阻止坍缩的继续,所有物质只能沿一个方向走向奇点。这是一条通往时间尽头的“单行道”。

  彭罗斯这篇开创性的论文发表于1965年1月,至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。现在,黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识。

  黑洞引力非常强大,甚至连光线也无法逃逸,没有光线射出的边界称为“事件视界”。直接窥视黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的事件视界内。但是,星星为孜孜以求的科学家们指明了方向。

  利用恒星的轨道作为向导,根策尔和盖兹提出了迄今最有说服力的证据,证明银河系中心隐藏着一个看不见的超大质量天体。

  100年前,美国天文学家哈洛·沙普利首先确定了银河系的中心,即射手座(又称人马座)方向。但直到20世纪90年代,随着更大、更先进的天文观测设备出现,科学家们才得以对银河系中心进行更系统的研究。

  根策尔和盖兹分别领导一个研究小组,自上世纪90年代初以来一直试图透过尘埃云观测银河系中央一个名为“射手座A*”的区域。根策尔小组最初使用位于智利的新技术望远镜(NTT),而后使用位于智利帕拉纳尔山上的甚大望远镜(VLT)。而盖兹小组则使用位于美国夏威夷冒纳凯阿山上的凯克天文台。

  近30年来,根策尔和盖兹的团队不断完善观测技术,追踪观测区域内众多恒星中一批最亮恒星的运动轨迹。其中一颗恒星在不到16年的时间内完成了围绕星系中心的完整运行,科学家们得以绘制出它的完整轨道。

  两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论:银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体,在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量,使周边恒星急速旋转。对这个看不见的天体,目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞。

  2019年4月10日,由全球8台射电望远镜组合而成的“事件视界望远镜”项目拍摄到人类历史上第一张黑洞照片。被拍到的这个黑洞位于一个名为M87的星系中央,其质量是太阳的65亿倍。在不久的将来,银河系中央的黑洞“真容”可能也会显露。

  诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示,今年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题,并激发未来的研究。他说:“不仅有关于它们内部结构的问题,还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题。”

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