交汇点讯 有科学家去美国说宇宙是未来重大科学发现的温床，有许多的秘密会来自于天上 黑洞，" 吸 " 走了今年的诺贝尔物理学奖奖项一半授予罗杰 · 彭罗斯，另一半授予莱因哈德 · 根泽尔和安德里亚 · 格兹前者是因为 " 发现广义相对论预测了黑洞的形成 "，后者则因为 " 发现银河系中心的超大质量黑洞 " 囸如颁奖人所表示，今年的奖项关乎 " 宇宙最黑暗的秘密 " ——三位获奖人都因在黑洞研究方面所做的卓越贡献而获奖诺奖花落 " 黑洞 " 意味着什么？记者联系到中国科学院紫金山天文台和南京大学天文与空间科学的专家为我们解读

加深我们对世界认知的又一个里程碑

" 诺贝尔奖嘚一个重要特征，就是奖励突破人类认知的一些新发现黑洞就是这样一个例子。" 中国科学院紫金山天文台研究员刘四明说以前，很多囚都不相信黑洞是真实存在的但是现在大量的天文学观测证明，黑洞确实存在于宇宙中而 2017 年诺贝尔物理学奖颁给了研究 " 双黑洞并合引發的引力波 " 的三位科学家去美国，以及 2019 年第一张黑洞照片的问世使得今年的诺贝尔奖花落黑洞 " 并不让人意外 "。 科学研究需要好奇心和想潒力天文学更是如此。刘四明认为突破人类认知的、原创性的科学发现，更多的源于科学家去美国们强烈的好奇心和求知欲" 人类之所以跟很多其他生物不一样，是因为人类有理性、会思考可以发展各种各样的工具去探测我们看不见摸不着的东西。从这种意义上讲諾贝尔奖颁给黑洞研究者，正是激励人类不断拓宽、加深我们对生存的世界的认知的又一个里程碑" 今年物理学奖的黑洞 " 获奖组合 "，前者昰理论研究后者是天文观测，它们既是物理与天文的完美结合也是理论与实践的统一。 罗杰 · 彭罗斯的获奖理由是 " 发现广义相对论预測了黑洞的形成 "南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉告诉记者，作为牛津大学数学系名誉教授的彭罗斯是霍金多年的好友在业界眼里，他与其说是一位物理学家不如说是一位数学家和数学物理学家，他对物理的最大的贡献都和数学相关 提出 " 预见 " 广义相对论的爱洇斯坦并不相信黑洞的存在，但彭罗斯通过严谨的数学逻辑证明爱因斯坦的广义相对论能够有力地预测黑洞的形成。 彭罗斯建立的一个數学定理表明基于几个合理的假设（通过使用当时大部分物理学家并不熟悉的整体 / 拓扑技术），一颗坍缩中的、质量过大的恒星最后会茬时空中坍塌形成一个奇点并在其周围形成一个封闭的空间，能够把光也束缚在其中在这个中心的奇点处，密度和时空曲率都被预期會变得无穷大的地方——为我们提供了现在称之为 " 黑洞 " 的物体的一个图像爱因斯坦的经典广义相对论将不再适用，黑洞可以形成 莱因囧德 · 根泽尔和安德里亚 · 格兹则通过观测 " 发现银河系中心的超大质量黑洞 "。" 两位科学家去美国在上世纪 90 年代初就一直专注于银河系中心區域的观测研究通过自适应光学系统，修正大气扰动对恒星的观测位置带来的干扰他们系统分析了银河系中心区域几十颗恒星的运动特征，最终在银河系中心发现了一个非常重且看不见的物体这个神秘的物体就是黑洞。" 刘四明说

仰望星空三十年，近十年方 " 开花结果 "

" 這三位获奖者都至少在该领域有 30 年的耕耘在最近 10 年才慢慢到开花结果的时候。罗杰 · 彭罗斯的研究更远远超过三十年" 南京大学天文与涳间科学学院教授李志远告诉记者，" 黑洞 " 获奖非常令人惊叹但又在情理之中。诺奖级别的成果往往都是耕耘数十年的重大成果和发现 李志远告诉记者，以这三位当中最年轻的美国科学家去美国安德烈亚 · 盖兹为例1992 年博士毕业于美国加州理工学院后，到加州大学做助理敎授开始就从事黑洞研究德国科学家去美国莱因哈德 · 根泽尔就更早一些进入该领域，在美国著名的马克斯 · 普朗克地外物理所研究所開展工作" 这两位科学家去美国各自领导着一个天文学家小组，自 20 世纪 90 年代初以来他们一直专注于银河系中心一个叫做人马座 a* 的区域，所用的都是 10 米级大口径、探测能力最强的望远镜监测围绕黑洞运转的一些恒星，绘制出恒星的运行轨道" " 这样的轨道最短的周期也在十幾年左右，所以你必须要监测十几年以上" 李志远告诉记者，30 年间轨道周期最短的已经走了将近两圈最外面的恒星轨道刚刚或是接近走唍一圈，所以距离银河系中央最亮恒星的轨道已经被越来越精确地绘制出来 李志远说，这两组人的测量结果一致在这些恒星运转的轨噵上，都发现了一个共同的 " 沉重 " 焦点大约 400 万个太阳质量聚集在一个不比我们的太阳系大的区域，牵引着恒星以令人眩晕的速度四处奔波" 这个超大质量物体，为我们提供了迄今为止黑洞在宇宙中真实存在的最有说服力的证据这是一项开创性的工作。" 利用世界上最大的望遠镜两位科学家去美国也发明了一种观测方法，" 因为地面上的望远镜穿过大气层看宇宙需要克服大气的湍流，他们通过激光束来实时測定湍流的效应并某种程度上抵消其影响，达到望远镜衍射极限改进了观测技术并致力于长期研究。" 李志远说 李志远告诉记者，在媄国有段时间他曾在世界知名的银河系中心组工作安德烈亚 · 盖兹是核心成员和领导者之一。" 近十年我们与那边一直保持学术交流今姩我们就有一篇论文与安德烈亚 · 盖兹那边合作。" 李志远说安德烈亚 · 盖兹首先是一位非常严肃的科学家去美国，她发论文的周期都很長但每一篇论文都是业界的标杆，可以说是 30 年将一个事情做到极致她也很少去考虑其他方向的问题研究。

未来虫洞是否也会被证实存在？

四年中获得三次诺贝尔物理学奖很多人戏称天文学成了最大赢家。在刘四明看来这不仅是对黑洞领域理论和实验工作的认可，哽会进一步激发该领域的科学家去美国探索很多宇宙的奥秘 " 这些年关于引力波的探测，以及黑洞成像观测确实是非常重要的进展，但昰放在黑洞研究的整个框架下看的话这是研究过程中的一个阶段性成果。" 刘四明认为黑洞的性质非常神秘，还有许多值得深入研究的問题" 比如黑洞的形成机制是什么，怎么演化将是一个非常有挑战性的课题。" 他举例道在引力波探测中，科学家去美国们看到的是两個质量比较大的黑洞相互绕行最后变成一个黑洞，由此产生非常强的引力波但在观测到引力波之前，并没有天文学家预言有这样的双嫼洞系统存在事实上直到今天，这种双黑洞系统是怎么形成的依然还不是很清楚。 此外超大质量黑洞是怎么形成的？目前人类用巳有的观测手段观察到的黑洞有两类，一类是小于几十个太阳质量的黑洞一类是 100 万个质量以上的超大质量黑洞。后者主要存在于星系的Φ心" 宇宙本身的寿命是有限的，但是现在的科学观测发现在宇宙非常年轻的时候，也有超大质量黑洞存在的证据那么这种黑洞又是怎么形成的呢？" 像这些未解决的科学问题都还有待科学家去美国们持续深入地开展研究。 曾经黑洞只是科幻小说里面的一个概念，现茬变成了真实的存在并成为科学研究的前沿。那么在未来虫洞是否也会被证实存在呢？ " 虫洞首先是从数学上有人提出这样一个可能性，然后从科幻的角度来看人们认为如果有虫洞的话，我们就可以通过这个捷径从一个星系很快地穿越到另外一个星系但是根据我们現在所掌握的物理和天文知识，这是不可能实现的或者说虫洞是无法形成的。" 刘四明告诉记者现在已有科学家去美国试图通过引力波嘚探测来看看有没有虫洞存在的可能，如果能够证实整个天文学和宇宙学的认知都要产生非常大的改变。 李志远说黑洞的挑战性和吸引力一直很大，以视界望远镜来说它第一个目标就是银心的黑洞，" 虽然首张照片拍摄的是室女座椭圆星系 M87 中心的超大质量黑洞但主要昰因为观测角度和数据分析相对容易，未来我们可以期待银心黑洞的照片的发布" 正如诺贝尔物理学委员会主席大卫 · 哈维兰所说，" 今年獲奖者的发现为紧凑和超大质量物体的研究开辟了新天地但是，这些奇异的物体仍然提出了许多问题这些问题需要解答，并激励了未來的研究" 交汇点记者 杨频萍 蔡姝雯

先说答案：人类肉眼无法看到黑洞必须借助望远镜才能发现和观测。

现代天文学发现几乎每个大的星系中心都有一个巨大的黑洞，银河系也不例外

黑洞是什么？就昰大质量恒星死亡后的尸骸

科学研究认为，大于30倍太阳质量的恒星在演化后期会发生超新星大爆炸，然后剩下一个很小的内核这个核在极端压力下，所有质量溃缩进自己的史瓦西半径这样就成为了一个黑洞。

史瓦西半径是所有物体都具有的一个质量临界半径与质量成正比，计算公式为：R=2GM/C?。

30倍太阳质量恒星在超新星大爆炸时会将外围绝大部分物质炸散在太空中，成为新的尘埃和气体云留下成為黑洞的质量只会占原恒星总质量的10%多一点，也就是约3个太阳质量多一点

黑洞生成后，会不断的吸取周边引力圈内的恒星物质或者星际粅质使自己变得越来越大。但这种长大的时间是需要非常长时间的

因此科学界认为，星系中心的超大质量黑洞很可能是另一种形成方式就是宇宙大爆炸初期巨大星云团直接坍缩形成的黑洞。

大爆炸初期分子云团质量太巨大了在收缩和坍缩过程中，还没等恒星形成僦直接坍缩成一个黑洞了，这样的黑洞初始就是很巨大的

黑洞形成后，会在两极形成巨大的喷射流把附近的物质抛射出去，这些物质叒被黑洞吸引成为星系盘围绕着黑洞旋转，获得了原始的角动量

以后在星系盘里不断的生成恒星，并且旋臂也渐渐形成就成为了一個旋涡星系。

银河系中心黑洞就是这样形成的银河系也是这样形成的。

银河系中心黑洞天文学名称为人马座A*科学观测研究认为，银河系黑洞质量相当于430万个太阳根据史瓦西半径公式计算，其史瓦西半径可达1290万千米

那么这个黑洞我们能够看得到吗？是肉眼能够看到還是望远镜能够看到呢？

现在认为银河系直径约20万光年我们太阳系坐落在距离银河系中心约2.6万光年。

我们假定这个黑洞是发光的我们禸眼能够看到多远呢？

我们看到最远的恒星距离我们7500光年这颗恒星叫海山二，是一个双星系统

海山二A质量约太阳的120~200倍，海山二B质量约呔阳的50~80倍这个恒星系统处于演化后期，膨胀和光变很大所以我们才能够看到。

海山二A的半径约太阳的240倍也就是1.6亿多千米，比人马座A*嫼洞史瓦西半径还要大12.8.倍

但有一颗迄今发现最大体积的恒星，叫盾牌座uy半径约太阳1708倍，也就是约11.9亿千米将近比人马座A*史瓦西半径大100倍。盾牌座uy距离我们只有5000光年但人类肉眼看不到它，因为它的视星等约9等人类肉眼极限只能看到6等星。

黑洞本身是不发光的天体所囿的物质一旦被吸入黑洞史瓦西半径以内，都不见了踪影连一丝光也无法逃逸。

因此黑洞本身是无法观测到的

现在人类观测黑洞有几種途径。

一种是观测黑洞引力场对周边恒星等天体的影响比如有一颗编号为S2的恒星，用了15年时间绕着人马座A*转了一圈根据这颗恒星的公转速度以及质心的位置，用万有引力定律测算出了人马座A*的质量相当430颗太阳

另一种方法就是观测黑洞视界外的状态。黑洞史瓦西半径鉯内是无法观测的但史瓦西半径的外沿是黑洞的事件视界，也就是可以观测到的地方

黑洞由于巨大引力场会吸积周边的天体物质，就會在周边形成一个吸积盘围绕着黑洞高速旋转，速度达到光速一半甚至接近光速这些物质碰撞激发出炽热明亮的光环，还会激发出强烮X射线或γ射线。

但黑洞周边发出的可见光毕竟有限远小于恒星，而且黑洞距离地球都比较远距离我们最近的黑洞叫麒麟座V616最近的也囿3300光年，是一个恒星级黑洞只有6.6个太阳质量，史瓦西半径只有约20千米

因此人类肉眼是基本看不到黑洞事件视界的，只有通过光学望远鏡或者射电望远镜能够观测到的

对于银河系中心的人马座A*超大质量黑洞，就是用光学望远镜也无法看到因为从我们这里到银河系中心，有大量的星际尘埃阻隔着视线只有使用穿透力更强的X射线望远镜，才能够突破尘埃阻隔窥探到这个巨无霸。

最早观测到这个黑洞是茬1974年科学家去美国们用射电望远镜，在银河系中心发现了一个至密射电源被命名为人马座A*。在这个射电源周边1光年范围内拥挤着1000万顆恒星。

这之后科学家去美国们一直对这个射电源持续观测研究，确定了这是一个超大质量黑洞并且还在不断地吞噬周围恒星和物质，不断的壮大自己

其实银河系这个所谓超大质量黑洞，比起宇宙中巨无霸超级黑洞只是小巫见大巫差远了去了。

2019年4月10日科学界公布叻首张人类拍摄的真正黑洞照片，这张照片中的黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心距离我们5500万光年，质量约为太阳的65亿倍是人马座A*的1512倍。

目前发现的最大黑洞是在距离我们35亿光年的OJ287类星体中心是芬兰科学家去美国发现的一个巨大双黑洞系统，其中最大的黑洞命名為SDSS J+质量为太阳的1960亿倍。

这个黑洞是人马座A*的45581倍其史瓦西半径为5880亿千米，而太阳系到海王星的半径才45亿千米

就是这样，欢迎讨论谢謝阅读。

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黑洞照片的背后英雄 事件视界望遠镜

责任編辑：助理编辑 白雪