看向宇宙中最黑暗的地方

楊先碧

宇宙中最黑暗的地方是哪里？黑洞！此外，黑洞還被公認為宇宙中最神秘的天體之一。因為難以被探測，它也一度被認為是僅存在于科幻小說中的天體。然而，隨著科學家的深入探索，越來越多的證據(jù)表明黑洞的確存在于宇宙中。

2020年，諾貝爾物理學獎首次頒發(fā)給了研究黑洞的科學家，他們分別是英國理論物理學家羅杰·彭羅斯和德國天文學家賴因哈德·根策爾、美國天文學家安德烈婭·蓋茲。

看不見的天體

1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，指出萬有引力的本質(zhì)是時空彎曲。很快，德國物理學家史瓦西根據(jù)該理論，推導出天體的視界半徑，即天體能被人類看見的最小半徑。后來，科學界稱之為史瓦西半徑。如果一個天體的半徑大于其史瓦西半徑，它能被我們看到;反之，它會消失于我們的視野中。

那么，宇宙中真有“隱身”的天體嗎？一些天體在燃料逐漸消耗的過程中不斷坍縮，半徑逐漸減小。如果它們坍縮到半徑比其史瓦西半徑還小，我們就看不到它們了。但是，它們依然真實存在。后來，這類天體被命名為黑洞。

比如，太陽現(xiàn)在的半徑約為69.6萬千米，而其史瓦西半徑只有約3千米，所以我們現(xiàn)在能看到太陽;數(shù)億年后，太陽如果坍縮到半徑小于其史瓦西半徑，就會變成一個黑洞。又如，地球的平均半徑為6371千米，假如有一種力量將地球不斷壓縮，使其半徑縮小為9毫米，地球也會成為黑洞。

證明天體坍縮成黑洞

雖然科學家早就根據(jù)廣義相對論預(yù)言了黑洞的存在，但是之后20多年有一個問題一直懸而未決：天體真的會坍縮成黑洞嗎？

1939年，美國物理學家奧本海默等人證實了天體能坍縮為黑洞，不過他們的證明有一定的前提條件——該天體是一個完美的球體。

然而，宇宙中并不存在這樣的完美球體。那么，外形不“達標”的天體會坍縮成黑洞嗎？20世紀60年代，羅杰·彭羅斯發(fā)現(xiàn)黑洞內(nèi)部的物質(zhì)會在強大引力的作用下變成一個密度無窮大的點，即奇點。20世紀70年代，羅杰·彭羅斯和史蒂芬·霍金一起提出并證明了奇點定理（此前有其他人提出類似內(nèi)容，但這些內(nèi)容并不完善，羅杰·彭羅斯和史蒂芬·霍金予以完善并給定了條件）。這個定理給出了奇點和黑洞在宇宙中存在的條件，給天文學家搜索黑洞指明了方向。

銀河系中的超大黑洞

盡管科學家預(yù)言并從理論上證明黑洞的存在，但是黑洞因為種種原因難以被探測到。所以，在很長一段時間里，不少科學家仍然不相信黑洞存在。

賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲經(jīng)過觀測、研究，在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個超大質(zhì)量致密天體。

賴因哈德·根策爾進行天文觀測，發(fā)現(xiàn)繞著銀河系中心運動的氣體云的速度實在太快。于是，他提出：那里存在一個看不見的超大質(zhì)量的天體，才能產(chǎn)生巨大的引力，從而讓那些氣體云留在現(xiàn)有軌道上。

安德烈婭·蓋茲對銀河系中心人馬座A*中一顆名為S2的恒星特別關(guān)注，通過分析其可變光譜計算出這顆恒星的速度變化值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了引力紅移現(xiàn)象。引力紅移現(xiàn)象，正好能證明S2所處的區(qū)域有一個超大質(zhì)量黑洞。

兩人帶領(lǐng)的研究小組繪制了離銀河系中心最近的一批最亮恒星的軌道，得到了一致的結(jié)果：有一個看不見、非常重的物體，使這些恒星在周圍以驚人的速度旋轉(zhuǎn)，這個物體的質(zhì)量約是太陽質(zhì)量的400萬倍。而根據(jù)相關(guān)理論，可能的解釋只能是——銀河系中心存在一個超大質(zhì)量黑洞。

黑洞研究的意義

首先，天文學研究是為了滿足人類的好奇心，讓人類了解宇宙究竟是什么樣子、隱藏著多少秘密。在這些秘密中，黑洞是一個讓很多人感到好奇的大秘密，依賴于現(xiàn)代科技手段，科學家才能揭開籠罩在它“臉上”的神秘面紗。比如，人們曾經(jīng)以為黑洞是只進不出的“貔貅”;后來，史蒂芬·霍金等人提出，黑洞會“打嗝”，時不時向外噴射能量和物質(zhì)。人馬座A術(shù)可能存在一個超大質(zhì)量黑洞，同時它也是十分明亮的射電源，這是因為那個超大質(zhì)量黑洞會釋放海量能量，那些能量可以讓明亮的類星體形成。

其次，黑洞研究在未來會有一些實際的用途。比如，黑洞研究可為星際航行服務(wù)。毋庸置疑，如同科幻小說描寫的那樣，宇宙飛船等飛行器遭遇黑洞是很可怕的事情。未來，人們在星際航行時可以利用太空地圖，避開地圖中所標注的黑洞。又如，一些科學家認為，黑洞蘊藏著大量物質(zhì)和能量，人類以后可以將黑洞用于發(fā)電。