宇宙中最黑暗的秘密

楊先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？我們幾乎可以脫口而出：黑洞！黑洞也是宇宙中最神秘的天體，它因難以探測而一度被人認為是僅僅存在于科幻小說中的天體。然而，越來越多的科學探索證實了黑洞的確存在于茫茫宇宙中。2020年，諾貝爾物理學獎首次頒發給了研究黑洞的科學家，他們分別是數學家羅杰·彭羅斯、德國天體物理學家賴因哈德·根策爾和美國天體物理學家安德烈亞·蓋茲。

看不見的天體

1915年11月25日，物理學家愛因斯坦向外界介紹了自己創立的廣義相對論，指出萬有引力的本質就是時空彎曲。不到一個月后，德國物理學家施瓦西根據這個理論發現，如果一個天體質量特別大而半徑又特別小，強烈的時空彎曲所形成的“凹坑”會將其隱藏起來。

同時，施瓦西還由此推導出天體的視界半徑。所謂視界半徑，就是看得見的半徑。后來科學界將其稱之為“施瓦西半徑”，它等于萬有引力常數乘以2倍天體質量，再除以光速的平方。如果一個天體的真實半徑大于施瓦西半徑，它就能被我們看到;反之，它就會消失于我們的視野之外。

宇宙中真的有看不見的天體嗎？一些恒星在燃料逐漸消耗減少的過程中，會不斷坍縮，真實半徑逐漸減小。如果其坍縮到真實半徑比施瓦西半徑還小時，我們就看不到這顆星星了。雖然這顆星星“隱身”了，但是它還是真實存在的。1962 年，美國天文學家羅伯特·狄克將這種消失于人們視野外的天體稱為“黑洞”。

比如，太陽的真實半徑約為69.6萬千米，而其施瓦西半徑只有3千米，所以我們現在能看到太陽。數億年后，太陽也會耗盡自身的燃料，逐漸坍縮到半徑小于3千米，此時它就變成了一個黑洞。又如，地球的半徑為6371千米，假如有一種力量能將地球不斷壓縮（實際上不會有這種情況），那么地球的半徑要縮小為“可憐”的9毫米，它才會成為黑洞。

根策爾、蓋茲和彭羅斯（從左至右）

引力導致的時空彎曲

證明黑洞的坍縮

雖然施瓦西在1915年就根據廣義相對論預言了黑洞的存在，但是，之后20多年來都有一個問題難以解決，那就是天體真的會坍縮成黑洞嗎？1939年，美國物理學家羅伯特·奧本海默等人證明了這個問題，不過他們證明的前提是天體是個高度對稱的完美球體。

然而，事實上宇宙中并不存在這樣的“完美天體”。那么，真正的天體會坍縮成黑洞嗎？在羅伯特·奧本海默完成證明的近20年后，數學物理學家羅杰·彭羅斯在1964年利用拓撲學巧妙地完成了最終的證明。羅杰·彭羅斯在大學時期的專業是數學，但是他特別喜歡天文學，尤其喜歡研究天體物理學中的一些難題。

羅杰·彭羅斯不但完成了天體可塌陷成黑洞的證明，還提出了黑洞內部的物質會在強大引力的作用下塌陷成一個密度無窮大的點，即天體物理學中的神秘“奇點”。1970年，羅杰·彭羅斯還和英國物理學家斯蒂芬·威廉·霍金一起提出了奇點定理。這個定理給出了奇點和黑洞在宇宙中存在的條件，這就給天文學家搜索黑洞指明了方向，他們可以根據這些條件去尋找宇宙中這些最黑暗的天體。

人馬座中的超大質量黑洞

銀河系中的超大黑洞

盡管科學家從理論上預言了黑洞的存在，但是黑洞因為幾乎不會發射電磁波而難以被天文望遠鏡直接觀測到。因此，曾經在很長一段時間里，不少科學家都不相信宇宙中有黑洞存在。直至賴因哈德·根策爾和安德烈亞·蓋茲在銀河系中發現了一個黑洞，而且是一個超大質量黑洞。

在賴因哈德·根策爾和安德烈亞·蓋茲發現黑洞之前，一些科學家就根據計算預測銀河系中心可能存在一個超大質量黑洞，它位于射電源人馬座A*，距離地球2.5萬光年。此外，科學家還提出，室女座方向M87星系核心（M87*）也可能有超大質量黑洞存在。

青年時期的賴因哈德·根策爾是德國最好的標槍運動員之一，他甚至與國家隊一起備戰過1972年慕尼黑奧運會。后來，他的興趣轉向了天文學研究。賴因哈德·根策爾根據天文觀測結果發現，繞著銀河系中心運動的氣體云的速度實在是太快了，只有那里存在一個看不見的超大質量的天體，它所產生的巨大引力才能讓那些氣體云留在現有軌道上。

而安德烈亞·蓋茲對射電源人馬座A*中的一顆名為S2的恒星特別關注，她通過分析S2的可變光譜，計算出這顆恒星的速度變化，結果發現了夢寐以求的引力紅移現象。而這種現象正好能證明S2所處的區域有一個超大質量黑洞。

賴因哈德·根策爾使用的是位于智利的新技術望遠鏡和甚大望遠鏡，而安德烈亞·蓋茲使用的是位于夏威夷的凱克望遠鏡。他們各自領導的研究小組都得到了非常一致的結果：人馬座A*中心存在有一個超大質量黑洞。他們還計算出這個黑洞的質量是太陽的414萬倍。

凱克望遠鏡

黑洞研究的意義

相對于諾貝爾生理學或醫學獎以及化學獎來說，物理學獎的獲獎成果大多距離人們的生產和生活較遠。每年獎項公布之后，不少人總會有疑問：這項成果究竟有啥用呢？

首先，所有的天文學研究都可以滿足人們的好奇心，讓人們了解自己身處的宇宙究竟是什么樣子，其中隱藏著多少的秘密。在這些秘密中，黑洞是一個大秘密，我們得依賴于現代科技手段才能揭開籠罩在它“身上”的層層面紗。

比如，人們曾經以為黑洞是個只進不出的“貔貅類大胃王”。后來，斯蒂芬·威廉·霍金等人發現，黑洞其實也會“打嗝”，時不時地向外噴射能量和物質。這被人們稱為“霍金輻射”。雖然人馬座A*中心是一個超大質量黑洞，但是人馬座A*卻是一個十分明亮的射電源，這是因為那個超大質量的黑洞會釋放出海量能量，這些能量可以形成明亮的類星體。

又如，人們曾經以為質量很大的天體才會形成黑洞，后來科學家推算出只有一個原子大小的超級小黑洞，那是在宇宙形成初期時的原初黑洞，不過它們存在的時間也非常短，今天已經看不到了。

甚大望遠鏡

其次，黑洞研究在未來會有一些很實際的用途。比如，黑洞研究可為未來的太空航行打下堅實的基礎。毋庸置疑，就如同科幻小說描繪的那樣，宇航員在星際航行中遭遇黑洞是很可怕的事情。未來，人們在星際航行時將會參考太空地圖，及時避開地圖中所標注的黑洞區域。

一些科學家認為，黑洞中蘊藏著難以想象的物質和能量，總有一天人類可以利用人造黑洞來作飛船動力或發電。美國科學家路易斯·克蘭就堅信利用人造黑洞可作為星際飛船的動力。他認為，人造黑洞散發出來的“霍金輻射”將會成為星際飛船唯一可選的動力。

雖然這些設想看上去科幻感十足，但是我們相信會有那么一天，人們可以利用黑洞做很多事情。當然，有一種可能性要排除在外，就是我們并不希望把黑洞用作武器。