宇宙中最黑暗的秘密

杨先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？我们几乎可以脱口而出：黑洞！黑洞也是宇宙中最神秘的天体，它因难以探测而一度被人认为是仅仅存在于科幻小说中的天体。然而，越来越多的科学探索证实了黑洞的确存在于茫茫宇宙中。2020年，诺贝尔物理学奖首次颁发给了研究黑洞的科学家，他们分别是数学家罗杰·彭罗斯、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔和美国天体物理学家安德烈亚·盖兹。

看不见的天体

1915年11月25日，物理学家爱因斯坦向外界介绍了自己创立的广义相对论，指出万有引力的本质就是时空弯曲。不到一个月后，德国物理学家施瓦西根据这个理论发现，如果一个天体质量特别大而半径又特别小，强烈的时空弯曲所形成的“凹坑”会将其隐藏起来。

同时，施瓦西还由此推导出天体的视界半径。所谓视界半径，就是看得见的半径。后来科学界将其称之为“施瓦西半径”，它等于万有引力常数乘以2倍天体质量，再除以光速的平方。如果一个天体的真实半径大于施瓦西半径，它就能被我们看到;反之，它就会消失于我们的视野之外。

宇宙中真的有看不见的天体吗？一些恒星在燃料逐渐消耗减少的过程中，会不断坍缩，真实半径逐渐减小。如果其坍缩到真实半径比施瓦西半径还小时，我们就看不到这颗星星了。虽然这颗星星“隐身”了，但是它还是真实存在的。1962 年，美国天文学家罗伯特·狄克将这种消失于人们视野外的天体称为“黑洞”。

比如，太阳的真实半径约为69.6万千米，而其施瓦西半径只有3千米，所以我们现在能看到太阳。数亿年后，太阳也会耗尽自身的燃料，逐渐坍缩到半径小于3千米，此时它就变成了一个黑洞。又如，地球的半径为6371千米，假如有一种力量能将地球不断压缩（实际上不会有这种情况），那么地球的半径要缩小为“可怜”的9毫米，它才会成为黑洞。

根策尔、盖兹和彭罗斯（从左至右）

引力导致的时空弯曲

证明黑洞的坍缩

虽然施瓦西在1915年就根据广义相对论预言了黑洞的存在，但是，之后20多年来都有一个问题难以解决，那就是天体真的会坍缩成黑洞吗？1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默等人证明了这个问题，不过他们证明的前提是天体是个高度对称的完美球体。

然而，事实上宇宙中并不存在这样的“完美天体”。那么，真正的天体会坍缩成黑洞吗？在罗伯特·奥本海默完成证明的近20年后，数学物理学家罗杰·彭罗斯在1964年利用拓扑学巧妙地完成了最终的证明。罗杰·彭罗斯在大学时期的专业是数学，但是他特别喜欢天文学，尤其喜欢研究天体物理学中的一些难题。

罗杰·彭罗斯不但完成了天体可塌陷成黑洞的证明，还提出了黑洞内部的物质会在强大引力的作用下塌陷成一个密度无穷大的点，即天体物理学中的神秘“奇点”。1970年，罗杰·彭罗斯还和英国物理学家斯蒂芬·威廉·霍金一起提出了奇点定理。这个定理给出了奇点和黑洞在宇宙中存在的条件，这就给天文学家搜索黑洞指明了方向，他们可以根据这些条件去寻找宇宙中这些最黑暗的天体。

人马座中的超大质量黑洞

银河系中的超大黑洞

尽管科学家从理论上预言了黑洞的存在，但是黑洞因为几乎不会发射电磁波而难以被天文望远镜直接观测到。因此，曾经在很长一段时间里，不少科学家都不相信宇宙中有黑洞存在。直至赖因哈德·根策尔和安德烈亚·盖兹在银河系中发现了一个黑洞，而且是一个超大质量黑洞。

在赖因哈德·根策尔和安德烈亚·盖兹发现黑洞之前，一些科学家就根据计算预测银河系中心可能存在一个超大质量黑洞，它位于射电源人马座A*，距离地球2.5万光年。此外，科学家还提出，室女座方向M87星系核心（M87*）也可能有超大质量黑洞存在。

青年时期的赖因哈德·根策尔是德国最好的标枪运动员之一，他甚至与国家队一起备战过1972年慕尼黑奥运会。后来，他的兴趣转向了天文学研究。赖因哈德·根策尔根据天文观测结果发现，绕着银河系中心运动的气体云的速度实在是太快了，只有那里存在一个看不见的超大质量的天体，它所产生的巨大引力才能让那些气体云留在现有轨道上。

而安德烈亚·盖兹对射电源人马座A*中的一颗名为S2的恒星特别关注，她通过分析S2的可变光谱，计算出这颗恒星的速度变化，结果发现了梦寐以求的引力红移现象。而这种现象正好能证明S2所处的区域有一个超大质量黑洞。

赖因哈德·根策尔使用的是位于智利的新技术望远镜和甚大望远镜，而安德烈亚·盖兹使用的是位于夏威夷的凯克望远镜。他们各自领导的研究小组都得到了非常一致的结果：人马座A*中心存在有一个超大质量黑洞。他们还计算出这个黑洞的质量是太阳的414万倍。

凯克望远镜

黑洞研究的意义

相对于诺贝尔生理学或医学奖以及化学奖来说，物理学奖的获奖成果大多距离人们的生产和生活较远。每年奖项公布之后，不少人总会有疑问：这项成果究竟有啥用呢？

首先，所有的天文学研究都可以满足人们的好奇心，让人们了解自己身处的宇宙究竟是什么样子，其中隐藏着多少的秘密。在这些秘密中，黑洞是一個大秘密，我们得依赖于现代科技手段才能揭开笼罩在它“身上”的层层面纱。

比如，人们曾经以为黑洞是个只进不出的“貔貅类大胃王”。后来，斯蒂芬·威廉·霍金等人发现，黑洞其实也会“打嗝”，时不时地向外喷射能量和物质。这被人们称为“霍金辐射”。虽然人马座A*中心是一个超大质量黑洞，但是人马座A*却是一个十分明亮的射电源，这是因为那个超大质量的黑洞会释放出海量能量，这些能量可以形成明亮的类星体。

又如，人们曾经以为质量很大的天体才会形成黑洞，后来科学家推算出只有一个原子大小的超级小黑洞，那是在宇宙形成初期时的原初黑洞，不过它们存在的时间也非常短，今天已经看不到了。

甚大望远镜

其次，黑洞研究在未来会有一些很实际的用途。比如，黑洞研究可为未来的太空航行打下坚实的基础。毋庸置疑，就如同科幻小说描绘的那样，宇航员在星际航行中遭遇黑洞是很可怕的事情。未来，人们在星际航行时将会参考太空地图，及时避开地图中所标注的黑洞区域。

一些科学家认为，黑洞中蕴藏着难以想象的物质和能量，总有一天人类可以利用人造黑洞来作飞船动力或发电。美国科学家路易斯·克兰就坚信利用人造黑洞可作为星际飞船的动力。他认为，人造黑洞散发出来的“霍金辐射”将会成为星际飞船唯一可选的动力。

虽然这些设想看上去科幻感十足，但是我们相信会有那么一天，人们可以利用黑洞做很多事情。当然，有一种可能性要排除在外，就是我们并不希望把黑洞用作武器。