揭露宇宙最黑暗的秘密:黑洞——2020诺贝尔物理奖

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  2020的诺贝尔物理奖揭晓,其中一半颁给英国数学物理学家Roger Penrose,因其发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测。而另一半则由德国天文学家Reinhard Genzel及美国天文学家Andrea Ghez,因发现银河系中心的超大质量黑洞。

  当大质量恒星到演化终点,首先引发超新星爆炸,接着塌缩成非常致密的黑洞,其引力强大到连光都逃不出去。要产生黑洞,必须把太阳压缩到3公里小。黑洞是宇宙中最奇特的物体,连爱因斯坦都不相信它真的存在。而Roger Penrose发明了精巧的数学方法来演绎广义相对论,并推论出黑洞的形成和性质。他在1965年所发表的论文,对广义相对论有极重要的贡献。

  Roger Penrose提出囚陷曲面(trapped surfaces)这个描述黑洞的数学工具,在其内的光线都指向黑洞中心。借此他证明黑洞中心存在奇异点,时间和空间都会在此消失,而已知的物理定律都无法适用。一旦穿越黑洞的事件视界(event horizon)就不能回头,随着时间流逝所有东西都将掉进奇异点。在广义相对论中,时间和引力有着密切关系,对在地球上的人来说,脚底下时间的流逝比头顶慢一兆分之一秒(GPS定位就是根据此原理)。当你跨越超大质量黑洞的事件视界,并不会有奇怪的事情发生,但事件视界外的人将觉得你花无限久的时间跨越。我们无法看穿事件视界,黑洞的内部将被它遮住。

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  图说(左):当大质量恒星因为自身的引力塌缩形成黑洞,所有经过事件视界的东西都会被抓住,连速度最快的光线也无法逃脱。在事件视界,时间取代空间,随着时间流逝,所有的东西将被带向靠近黑洞中心的奇异点。奇异点的密度无限大,时间和空间在此终结。图说(右):光锥顶点代表现在,箭头指向代表时间方向,而固定时间的平面代表的是空间。未来光锥的范围,是指光从现在起可以传播的范围。由于物体移动不会超过光速,因此其移动的轨迹都包含在光锥的范围里。理论预期当物质塌缩形成黑洞,在事件视界内的光锥其时间方向指向黑洞中心。事件视界外的观察者,只能见到光线慢慢往事件视界推进而不会到达。

  虽然无法看穿黑洞,但我们可借由观测它的强大引力对附近恒星运动的影响,来了解它的性质。Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自带领研究团队,利用红外线波段来穿透众多星际气体和尘埃,并使用大口径望远镜,对银河系中心的人马座A*进行长期的研究。追踪银河中心的亮星运动轨迹,发现在离中心约1光月的地方,有看不见的大质量物体,拉着恒星快速绕转。其中一颗星(S2)花16年绕转银河系一圈,提出可靠证据,显示在人马座A*附近有超大质量黑洞,约4百万倍太阳质量,挤在仅太阳系尺度的空间里。他们持续不断的研发和精进技术,制造独特的仪器,例如提高感光元件的灵敏度、根据大气扰动自动校正镜面等,使解析度提高了上千倍,得以精确决定恒星的位置。Reinhard Genzel和Andrea Ghez的前瞻性研究,开创了新一代验证广义相对论的方法。

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  今年的诺贝尔物理奖,揭露了宇宙最黑暗的角落。这是一个全新的开始,当我们望向黑洞的视界,大自然会向我们揭露更多的惊喜。

资料来源:THE NOBEL PRIZE

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