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(rèn)為宇宙中最神秘的天體之一。因?yàn)殡y以被探測(cè)，它也一度被認(rèn)為是僅存在于科幻小說(shuō)中的天體。然而，隨著科學(xué)家的深入探索，越來(lái)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(xué)獎(jiǎng)首次頒發(fā)給了研究黑洞的科學(xué)家，他們分別是英國(guó)理論物理學(xué)家羅杰·彭羅斯和德國(guó)天文學(xué)家賴因哈德·根策爾、美國(guó)天文學(xué)家安德烈婭·蓋茲。

看不見(jiàn)的天體

1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，指出萬(wàn)有引力的本質(zhì)是時(shí)空彎曲。很快，德國(guó)物理學(xué)家史瓦西根據(jù)該理論，推導(dǎo)出天體的視界半徑，即天體能被人類看見(jiàn)的最小半徑。后來(lái)，科學(xué)界稱之為史瓦西半徑。如果一個(gè)天體的半徑大于其史瓦西半徑，它能被我們看到;反之，它會(huì)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(guò)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(shí)存在。后來(lái)，這類天體被命名為黑洞。

比如，太陽(yáng)現(xiàn)在的半徑約為69.6萬(wàn)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(yáng);數(shù)億年后，太陽(yáng)如果坍縮到半徑小于其史瓦西半徑，就會(huì)變成一個(gè)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(huì)成為黑洞。

證明天體坍縮成黑洞

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

1939年，美國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W本海默等人證實(shí)了天體能坍縮為黑洞，不過(guò)他們的證明有一定的前提條件——該天體是一個(gè)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(dá)標(biāo)”的天體會(huì)坍縮成黑洞嗎？20世紀(jì)60年代，羅杰·彭羅斯發(fā)現(xiàn)黑洞內(nèi)部的物質(zhì)會(huì)在強(qiáng)大引力的作用下變成一個(gè)密度無(wú)窮大的點(diǎn)，即奇點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，羅杰·彭羅斯和史蒂芬·霍金一起提出并證明了奇點(diǎn)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(gè)定理給出了奇點(diǎn)和黑洞在宇宙中存在的條件，給天文學(xué)家搜索黑洞指明了方向。

銀河系中的超大黑洞

盡管科學(xué)家預(yù)言并從理論上證明黑洞的存在，但是黑洞因?yàn)榉N種原因難以被探測(cè)到。所以，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，不少科學(xué)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(guò)觀測(cè)、研究，在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量致密天體。

賴因哈德·根策爾進(jìn)行天文觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)繞著銀河系中心運(yùn)動(dòng)的氣體云的速度實(shí)在太快。于是，他提出：那里存在一個(gè)看不見(jiàn)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(duì)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(guò)分析其可變光譜計(jì)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(gè)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(gè)看不見(jiàn)、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(gè)物體的質(zhì)量約是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)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(gè)超大質(zhì)量黑洞。

黑洞研究的意義

首先，天文學(xué)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(gè)讓很多人感到好奇的大秘密，依賴于現(xiàn)代科技手段，科學(xué)家才能揭開(kāi)籠罩在它“臉上”的神秘面紗。比如，人們?cè)?jīng)以為黑洞是只進(jìn)不出的“貔貅”;后來(lái)，史蒂芬·霍金等人提出，黑洞會(huì)“打嗝”，時(shí)不時(shí)向外噴射能量和物質(zhì)。人馬座A術(shù)可能存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，同時(shí)它也是十分明亮的射電源，這是因?yàn)槟莻€(gè)超大質(zhì)量黑洞會(huì)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(lái)會(huì)有一些實(shí)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(shuō)描寫(xiě)的那樣，宇宙飛船等飛行器遭遇黑洞是很可怕的事情。未來(lái)，人們?cè)谛请H航行時(shí)可以利用太空地圖，避開(kāi)地圖中所標(biāo)注的黑洞。又如，一些科學(xué)家認(rèn)為，黑洞蘊(yùn)藏著大量物質(zhì)和能量，人類以后可以將黑洞用于發(fā)電。