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他們“看到”了黑洞——解讀2020年諾貝爾物理學獎成果
2020-10-07 21:36:00
新華網
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  新華社北京10月6日電(記者羅國芳)2020年諾貝爾物理學獎頒發給了三位獲獎者,因為“他們發現了宇宙中最奇異的現象之一——黑洞”。

  英國物理學家羅杰·彭羅斯證明黑洞是廣義相對論的直接產物。德國科學家賴因哈德·根策爾和美國科學家安德烈婭·蓋茲則發現,在我們銀河系的中心,有一個看不見的、質量極大的天體控制著周邊恒星的軌道,目前對這個天體的唯一解釋就是一個超大質量黑洞。

  愛因斯坦提出的廣義相對論顛覆了傳統的空間和時間概念。他的方程式預言了黑洞的存在:大質量的天體會使空間彎曲、時間減慢,一個超大質量的天體甚至能吞噬光線,從而形成一片“絕對黑暗”的空間,這就是黑洞。值得一提的是,愛因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

  然而,在愛因斯坦去世10年后,彭羅斯用巧妙的數學方法論證了黑洞可以形成,并對其進行了詳細描述:在黑洞的核心隱藏著一個奇點,它的時空曲率無窮大,密度也趨于無限大。一旦物質開始坍縮,就沒有什么能阻止坍縮的繼續,所有物質只能沿一個方向走向奇點。這是一條通往時間盡頭的“單行道”。

  彭羅斯這篇開創性的論文發表于1965年1月,至今仍被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻?,F在,黑洞的中心存在奇點已成為科學界的普遍認識。

  黑洞引力非常強大,甚至連光線也無法逃逸,沒有光線射出的邊界稱為“事件視界”。直接窺視黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的事件視界內。但是,星星為孜孜以求的科學家們指明了方向。

  利用恒星的軌道作為向導,根策爾和蓋茲提出了迄今最有說服力的證據,證明銀河系中心隱藏著一個看不見的超大質量天體。

  100年前,美國天文學家哈洛·沙普利首先確定了銀河系的中心,即射手座(又稱人馬座)方向。但直到20世紀90年代,隨著更大、更先進的天文觀測設備出現,科學家們才得以對銀河系中心進行更系統的研究。

  根策爾和蓋茲分別領導一個研究小組,自上世紀90年代初以來一直試圖透過塵埃云觀測銀河系中央一個名為“射手座A*”的區域。根策爾小組最初使用位于智利的新技術望遠鏡(NTT),而后使用位于智利帕拉納爾山上的甚大望遠鏡(VLT)。而蓋茲小組則使用位于美國夏威夷冒納凱阿山上的凱克天文臺。

  近30年來,根策爾和蓋茲的團隊不斷完善觀測技術,追蹤觀測區域內眾多恒星中一批最亮恒星的運動軌跡。其中一顆恒星在不到16年的時間內完成了圍繞星系中心的完整運行,科學家們得以繪制出它的完整軌道。

  兩個研究團隊在數十年如一日的觀測后得出一致結論:銀河系中心存在一個質量非常大且看不見的天體,在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質量,使周邊恒星急速旋轉。對這個看不見的天體,目前唯一合理的解釋就是它是一個黑洞。

  2019年4月10日,由全球8臺射電望遠鏡組合而成的“事件視界望遠鏡”項目拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片。被拍到的這個黑洞位于一個名為M87的星系中央,其質量是太陽的65億倍。在不久的將來,銀河系中央的黑洞“真容”可能也會顯露。

  諾貝爾物理學獎評委會主席戴維·哈維蘭德在頒獎儀式上表示,今年獲獎者們的發現為研究致密和超大質量天體開辟了新天地。但這些奇特的物體仍然提出了許多有待進一步解答的問題,并激發未來的研究。他說:“不僅有關于它們內部結構的問題,還有關于如何在緊鄰黑洞的極端條件下測試我們的引力理論的問題?!?/p>

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