揭示黑洞和银河系中心秘密的诺贝尔物理学奖

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  北京时间2019年4月10日21时,人类首张黑洞照片面世,该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍
  2020年10月6日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2020年诺贝尔物理学奖,一半授予英国物理家罗杰·彭罗斯,另一半授予德国物理学家莱因哈德·根泽尔和美国天文学家安德里亚·格兹,以表彰他们发现了宇宙中最奇特的现象——黑洞。
  他们三人虽然研究方向相同,但探索途径各异。彭罗斯巧妙运用数学方法,结合广义相对论,证明宇宙中有一种看不见的天体,能把一切东西俘获过来,并全部吞掉。任何东西,哪怕是光线,在它面前都无法逃脱,这个天体就是黑洞。而根泽尔与格兹通过各自的研究探测,得出一致结论:在靠近银河系中心区域,有一个类似黑洞的超大质量(暂且理解为重量)的天体,从而揭示了银河系中心的秘密。
  黑洞究竟是什么
  浩瀚无垠的宇宙,除了星球和空间之外,还隐藏着不为人知的奥秘。
  人们对宇宙的观测以视觉为主。我们之所以能看见东西,是东西自身发出的光或反射的光,进入眼睛后刺激视觉神经的缘故。所以,对不发光和不反射光线的物体,我们难以感知其存在,黑洞就属于这种神秘莫测的天体。它不仅不发光,反而以极大的引力,把来自外界的任何东西包括光线在内,都统统吸入其中,永远不会再出来。即使用极亮的探照灯向黑洞射去,它也不会发亮。所以,黑洞是密度(内部物质紧密程度)极大的超重天体,让人觉得像无底黑洞一样。
  即使是从黑洞上取下黄豆大小的一
  M87星云以明显的椭圆状特征著名,在它的中央区的黑洞有惊人的喷出物,喷出的距离达数千光年;从黑洞核心处啧出的高速电子和粒子就是黑洞作用的产物块,也足有地球那么重,而与地球等大的黑洞,产生的引力却是无穷大。更奇妙的是,黑洞强大的引力会使时间变慢。距离黑洞很远的光线,虽然不会被吸入,但会发生弯曲,距离越近弯曲得越厉害。
  黑洞是如何形成的
  黑洞是由宇宙中的大型天体,在发生突变时聚变而成。目前主要有以下三种猜想:
  一、恒星演化成黑洞。大质量的恒星到了晚期,内部的核燃料耗尽,在冷却过程中,随着热膨胀力和对外辐射作用的消失,导致引力难以平衡。于是,无休止地向中心塌陷而收缩的同时,向外发射冲击波,使外层物质猛烈向星际空间抛射。最终,中心的残骸变成密度极大的天体,如果质量超过三个太阳的质量,就属于黑洞。
  二、星系中心演化成黑洞。散布在宇宙的星系达1000亿个,每个星系由无数颗恒星组成,如地球所在银河系及相邻的仙女系等。由于星系中心的恒星很密集,难免互相碰撞,那么由此产生的几个超重的天体如果发生聚合和收缩,便会形成质量超过太阳1亿倍的黑洞。
  三、宇宙大爆炸形成黑洞。宇宙形成之初,是一个温度和密度高得无法想象的点,这个点极不稳定。大约在137亿年前,突然发生爆炸,产生巨大的冲击力,把一些碎块挤压得极其紧密,最终形成肉眼看不见、质量却接近地球的微小黑洞。
  如何探测黑洞
  黑洞虽然不能直接观测到,但其强大的引力,能影响附近天体的运动。因此,根据一些天体的质量大小和运动情况,可推知黑洞的存在。
  1992年,人们用哈勃望远镜观察到,在距地球5200万光年的M87星系中心,有一个由大量恒星聚集而成的光亮区域,由此推断,多个恒星能聚集在一起,中心应当由一个质量大于太阳90倍的天体吸引着,这个天体可能是黑洞。同年7月,美国两位天文学家宣布:宇宙深处有一个星系,环绕其中心运转的恒星,质量一般,但速度惊人。由此推断,被恒星环绕的,可能是一个质量相当于整个太阳系、密度是太阳10亿倍的黑洞。
  物体被吞噬前,会沿着黑洞外围疾速旋转,并甩裂成高速旋转的气流,在摩擦产生高温的同时,释放X射线。因此,借助来自宇宙深处的X射线,可以找到黑洞。天文学家观测发现:有大量的气体物质,源源不断地由天鹅座的一颗主星,流向身为X射线源的伴星。如果能计算这个伴星的重量和密度,就能判定其是否为黑洞。
  银河系里找黑洞
  50多年来,天文学家一直猜想,银河系中心有黑洞,但又拿不出确凿证据。后来,有人发现那里有极亮的光源,便断定是一个天体在发光,就将其命名为人马座A*。20世纪60年代末,人们发现人马座A*占据了银河系中心,银河系的一些恒星者B围绕其运行。
  20多年前,根泽尔和格兹分别带领团队,研究银河系中心区域,绘制了那里一些最亮恒星的轨道。两个团队都惊奇地发现,那些最亮的恒星都围绕同一个固定位置以惊人的速度运行。在那个位置上,好像有一个如同人马座A*的天体,可通过观测,却没有发现什么。于是断定,有一种很重的天体,吸引着这些恒星围绕自己旋转。这个天体虽然看不见,但约有400万个太阳那么重,体积与整个太阳系差不多。这个天体到底是什么东西?根泽尔和格兹根据观测到的恒星运行轨道,运用当时的引力理论,给出了一个令人信服的解释:在人马座A*天体附近,隐藏着一个超级黑洞。
  观测黑洞不容易
  银河系形同一张圆盘,直径达10万光年,其中弥漫着云气和尘埃,以及几千亿颗恒星,太阳就是其中之一。这些厚厚的云气和尘埃,遮挡了来自银河系中心的光芒。只有用功能特殊的望远镜才能穿越这种障碍,观测到银河系中心。20世纪90年代,宇宙观测技术取得了长足进步,根泽尔和格兹分别率领团队,研发出性能独特的望远镜,成功透过宇宙尘埃进行观察。
  在我们头顶,厚度近100千米的大气层,随着气温变化而流动,从而使来自太空的光线,发生偏折和扭曲。这样一来,不管是用肉眼还是仪器观察太空,看到的情景都会失真。这就是星星闪烁的原因,也是星空图像模糊的原因。对此,只有在望远镜上安装特殊镜片,才能避免这种弊端,以便能清晰观察。
  近30年来,根泽尔和格兹不断研究改进观测仪器,采用了灵敏的光传感器和先进的光学元件,使图像分辨率提高1000倍以上,能精确地确定恒星位置,并在夜间跟踪它们。
  超越爱因斯坦
  1915年1 1月,爱因斯坦提出广义相对论。如果简单地举例描述,广义相對论是说,恒星质量越大,产生的引力越大,从周围而过的光线,由于受引力作用,就越弯曲。
  爱因斯坦创立了相对论,但未明确提出黑洞的存在。在他去世10年后,彭罗斯运用一系列科学理论,充分证明了黑洞形成:燃烧殆尽的恒星,由于失去辐射光线时向外的冲击力,便开始向内塌缩。如果它的质量足够大,会一直坍缩下去,变成一个奇怪的点,简称奇点。奇点的体积无限小,质量和温度却无限大。在奇点里,时间停止了,所有的自然法则不再适用,这一切实在令人无法想象。奇点外围有一个弯曲的界面,与奇点构成了黑洞,外界光线进入界面以内,就会被黑洞俘获。
  显然,黑洞的形成及呈现的奇特现象,与广义相对论所描述的恒星情况基本一致。可以说,彭罗斯受相对论启示,证明了黑洞的存在。而黑洞的形成,证明了相对论的正确性。
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