暗星與黑洞

牛頓力學於1667年建立，它在描述宏觀物體的運動時，取得了巨大成功。從此牛頓力學上升為物理學的第一原理，統治科學界300多年。在牛頓力學的框架內，英國地質學家約翰·米歇爾與法國的皮埃爾-西蒙·拉普拉斯分別在1783年、1796年獨立地提出了“暗星”的概念，即表面逃逸速度大於光速的星體。因為光也無法逃逸其表面，稱之為暗星。將太陽半徑從現在的70萬千米壓縮到大約3千米，或者將地球半徑6 400千米壓縮到0。9釐米，它們才能變成暗星。因此，暗星是非常緻密的天體。黑洞與暗星概念上存在本質的不同，黑洞是愛因斯坦廣義相對論的一個理論預言。

牛頓力學是建立在絕對時空觀基礎之上的。愛因斯坦的廣義相對論認為物質和時空存在相互作用，物質可以改變時空的性質，使得時空變彎曲，而彎曲時空可以決定其中物體的運動。

在廣義相對論中，不存在引力這種所謂的相互作用。地球繞著太陽轉，本質上是由被太陽弄彎曲的時空性質決定的。愛因斯坦於1915年11月18日發表了決定時空如何彎曲的引力場方程，代表著廣義相對論的正式建立。之後不到兩個月，德國天文學家卡爾·施瓦西透過求解真空引力場方程，得到了引力質量為M的球對稱天體外面的時空是如何彎曲的。

根據施瓦西解，假設星體的引力質量在施瓦西半徑（=2GM/c^2 ）之內，那麼物質（包括光）一旦越過該半徑就有去無回，也就是以施瓦西半徑為半徑的球面是單向膜，其內部的訊號無法傳播出去，我們稱之為視界。從字面意思理解，它是我們能看到該天體最內的邊界了。這就是廣義相對論裡黑洞的概念。1963年，紐西蘭數學家羅伊·帕特里克·克爾在1963年發現了一個克爾解，克爾解也存在黑洞視界。

黑洞的形成

根據施瓦西解和克爾解，理論上存在黑洞這樣的天體。但是宇宙中是否真實存在黑洞？天體透過引力塌縮是否能形成黑洞？這些問題需要天體物理學家來回答。

1930年，年僅20歲的印度學生蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡在研究白矮星內部結構的時候，發現如果白矮星內部的壓強由電子的簡併壓強（一種量子力學效應）提供，則白矮星的質量存在上限，約為1。4倍太陽質量，即錢德拉塞卡極限。在最大質量附近，白矮星的半徑約為2 000千米。如果白矮星質量高於錢德拉塞卡極限，星體內部的壓強無法與引力抗衡，星體不可避免要不斷塌縮，形成黑洞。在塌縮過程中，白矮星也可能變成中子星，中子星內部的壓強由中子簡併壓強提供。

1939年，羅伯特·奧本海默和喬治·邁克爾·沃爾科夫透過數值計算表明，中子星質量同樣存在上限，即奧本海默極限。同年，奧本海默和哈特蘭·辛德在廣義相對論框架下研究了質量大於0。7倍太陽質量中子星的球對稱塌縮。為了簡單起見，他們假設塌縮過程星體內部壓強可以忽略，最終計算表明，在隨著星體一起塌縮的觀測者看來，中子星在毫秒量級的時間被就塌縮到一點。這一點的密度無限大，廣義相對論在該點失效，我們稱之為奇點。無論是施瓦西黑洞還是克爾黑洞，不僅存在視界，也同時存在奇點。

但是許多人對此提出質疑，例如，蘇聯物理學家慄弗席茲和卡拉特尼科夫等人認為球對稱的條件過於苛刻，現實中並不存在。類似的，約翰·阿奇博爾德·惠勒也表明了他的擔憂：塌縮的星體會不斷將自身物質轉換為引力輻射而最終蒸發殆盡。有關黑洞存在性的理論研究陷入了停滯。

正是在此時，彭羅斯做出了革命性的工作。他放棄了球對稱物質的假設，僅對坍縮星體的能量密度提出正定的要求，為此他引入新的數學方法——拓撲學來研究相關問題並創造性的提出“俘獲面”概念。在1965年的文章中，彭羅斯假設一開始物質按照球對稱分佈形式進行引力塌縮，此時無限遠處觀測者只可接收到施瓦西半徑之外的訊號。當物質收縮到施瓦西半徑以內時，周圍的時空便出現一個閉合的類空二維曲面，即俘獲面。俘獲面一旦形成，即使物質的分佈發生變化如偏離球對稱等，也會一直存在下去。而在正定的能量密度條件下，俘獲面內部的所有物質隨著時間推移最終都會彙集到徑向座標的原點，故時空的奇點是不可避免的。該結果被稱為彭羅斯奇異性定理，它表明若初始資料非常不平坦具有俘獲面，且物質場滿足合理的條件，則愛因斯坦方程意味著時空奇點是不可避免的。從此之後，黑洞一詞被物理學家和天文學家廣為接受。

觀測黑洞

人們對於與黑洞有關的實際觀測最早來源於20世紀60年代類星體3C 273的發現。在彭羅斯提出了有關黑洞的一系列理論後，超大質量黑洞吸積周圍氣體釋放引力能成為解釋類星體的主流模型。

自黑洞模型被用於解釋類星體以後，天文學家大膽猜測大多數星系中心，包括我們的銀河系中心都存在超大質量黑洞。在90年代早期，望遠鏡的角解析度不足以在空間上區分彼此相距在銀河中心黑洞的施瓦西半徑量級的物體，故只能透過觀測黑洞附近的恆星與氣體的軌道來確定銀河系中心物體產生的引力勢能，得到黑洞的質量。若銀河中心確實存在超大質量黑洞，則周圍星體的速度應與其距離中心半徑的平方根成反比，正如太陽周圍的行星一樣。因此對於銀河中心附近星體速度的觀測成為確定黑洞存在的關鍵。

20世紀90年代，根策爾與蓋茲率領各自的團隊分別在位於智利的歐洲南方天文臺與位於夏威夷的凱克天文臺開始了關於銀河中心星體軌道的觀測。

兩個團隊主要進行近紅外波段的觀測，並且率先發展應用了斑點成像的技術以抵消大氣波動的影響，此技術要求在極短的時間（約0。1秒）對目標天體進行曝光成像，然後將得到的一系列圖片用移位加法處理，最終獲得更清晰的影象。這項技術成為在空間上分辨銀河系中心人馬座A*周圍星體的有力手段。

由於斑點成像技術的極短曝光時間使得只有最亮的星體能夠成像。為了長期追蹤單個恆星的軌道，根策爾和蓋茲的團隊使用了自適應光學技術。利用該技術可以消除地球大氣波動的影響，可延長曝光時間並利用光譜儀來研究恆星，從而得到它們的徑向運動速度。運用新技術後，兩個團隊分別對單一恆星軌道進行了長達26年（1992—2018年）的追蹤觀測，觀測結果為銀河中心存在超大質量黑洞的假設提供了運動學層面的有力證明。此外兩個團隊利用精確的恆星軌道資料，對廣義相對論進行了檢驗，結果觀測與理論符合得非常好！這是一個了不起的實驗成果。

隨著技術的發展與觀測水平的提高，人們逐漸在天文觀測中得到黑洞存在越來越多的證據。2019年4月10日，黑洞視界望遠鏡合作組發表了首張超大質量黑洞照片。愛因斯坦曾經說過：“宇宙最不可理解之處是它是可理解的。”黑洞，這一宇宙中最奇特的物體，正慢慢向我們揭開它神秘的面紗。

文/袁業飛 侯嘉昊

本文來自《科學畫報》