黑洞研究获得2020诺贝尔物理学奖,黑洞的出现,让天文学进入禁区

10月6日,2020诺贝尔物理学奖,颁给了黑洞的研究,有3位物理学家获得此殊荣,分别从理论和观测角度证明黑洞的存在。

理论上的证明:

黑洞不是一开始就存在于宇宙中的。根据之前的推测,当一颗大质量恒星死亡时,在自身巨大的万有引力作用下,它就会向内坍缩,形成一种致密的天体。这种天体可以是白矮星。如果再致密一些,它可以是中子星。如果再致密一些呢?它会不会变成黑洞呢?

在上世纪60年代以前,物理学家就只能说到这儿。这是因为,黑洞不是一种物质,而是一种怪异的时空结构。研究时空结构必须用一种叫作“广义相对论”的理论,它的计算难度特别大。

这时,英国数学家罗杰▪彭罗斯Roger Penrose接受了挑战。要想把活干好,趁手的工具少不了。彭罗斯没有直接强攻黑洞,他先是发明了专门研究黑洞的数学工具——扭量理论,这是一种把广义相对论和量子论结合的方法,计算效率大幅提升。然后用他的工具证明奇点定理——符合场方程的宇宙中必定存在奇点。此奇点可以很不严谨的当做黑洞。

在合适的条件下,越大质量的恒星一定可以坍缩成黑洞。而且,黑洞的中心是一个密度无穷大、体积无穷小的奇点。

观测角度上的证明:

德国天文学家赖因哈德▪根泽尔Reinhard Genzel和美国天文学家安德烈娅▪格兹Andrea Ghez将他们的望远镜,对准了银行系中心。他们发现,虽然银河系中心除了无线电波,基本上什么也看不见,但是附近却有很多恒星在疯狂地绕着它打转。他们分析了这些恒星的速度和轨道,发现它们所围绕的是一个比太阳重400万倍的、超级致密的怪物。这个怪物不是别的,就是离我们人类最近的超大质量黑洞。

为了表彰他们“发现了宇宙中最奇特的现象之一——黑洞”,诺奖委员会授予罗杰▪彭罗斯Roger Penrose ,赖因哈德▪根泽尔Reinhard Genzel ,安德烈娅▪格兹Andrea Ghez三位科学家获得2020诺贝尔物理学奖,他们将分享1000万瑞典克朗的奖金(约合人民币760万元)。其中彭罗斯获得奖金的一半,吉兹是第四位获得诺贝尔物理学奖的女生。

其实彭罗斯,也是霍金最好的合作伙伴。如果霍金还健在,一定也会有他。于是后 1/2 授予了另外两个人的研究可能也就没有了。

关于黑洞,2019年11月28日,《自然》杂志发布了这项重大发现。中国科学院国家天文台的刘继峰、张昊彤研究团队,用我们国家自主研制的郭守敬望远镜(LAMOST),发现了在银河系里的恒星黑洞,质量达到70倍太阳质量。
(太阳质量是天文学里常用的一个衡量单位,相当于一个太阳的质量。这个单位,在研究恒星和黑洞的时候经常会用到。)

2019年4月10日晚间,天文学家公布了人类史上首张黑洞照片。这颗黑洞就是M87星系中心的超大质量黑洞,它的质量是太阳的65亿倍,距离地球5500万光年。而这次发现的黑洞呢,才只有70倍太阳质量。有什么不同吗?

据高爽老师说,黑洞按照质量来划分,可以分为三种。我国这次发现的恒星级黑洞,又叫小质量黑洞。按照基本的理论模型,这种黑洞的质量,是100倍太阳质量以下。

不过,这个100倍太阳质量只是一个标准,一个边界,实际上,不论是理论上还是观测中实际看到的,小质量的黑洞根本就不会超过30多倍太阳质量。

因为一个恒星,死亡之后大量的物质都被吹开了,最后形成黑洞的质量,一般只有原来恒星的20%。而这次发现的黑洞,达到70倍太阳质量,在现有的理论框架下,根本无法解释。

要想形成70倍太阳质量的黑洞,只有三种可能性:
第一,恒星本身更加巨大,要达到300倍太阳质量以上;
第二,恒星死亡后吹出去的外壳物质很少,大部分都留在了核心成为黑洞;
第三,这次发现的黑洞,是由两个黑洞合并而成。

高爽老师说,从现有的理论来看,这三种可能性都不大。

先来看第一个可能性,这个黑洞原本的恒星,要达到300倍以上太阳质量。为什么说这不太可能呢?因为人类目前还从来没有看到过300倍太阳质量的恒星,连100倍太阳质量以上的恒星都非常罕见。所以我们很难确定,一个300倍太阳质量的恒星是不是真的存在。按照我们目前了解的规律来看,即便在宇宙里拥有这么多物质,它更容易形成的是数十颗小恒星组成的星团,而不是一颗超大恒星。要让一个超大范围内的海量物质聚集,不出现局部的干扰,形成一个大恒星,这本身就是对现有动力学模型的严峻挑战。所以,这个可能性并不是很大。

再来看第二种可能性,恒星本身不是特别巨大,但是吹出去的物质少,留下的部分多,最终形成这个黑洞。
要实现这个结果,现有的理论认为,恒星的化学成分必须要特别单一。只有比较纯净的物质组成的恒星,才有可能保留比较多的材料形成大的黑洞。但据科学家推断,这个新发现的黑洞,构成它的恒星,元素可能有100种之多。
也就是说,恒星的化学组成非常复杂,没有产生大黑洞的条件。

而第三种可能性,的确,黑洞靠近之后可能会合并。不过,天文学家把这个可能性也给排除了。
新发现的黑洞,在它旁边有一颗恒星,黑洞和这颗恒星相互绕转,它们绕转形成的轨道是一个非常接近圆形的轨道。
高爽老师说,如果轨道很圆,这其实意味着它们之间的绕转应该是从诞生时就存在的,而且一直长期、稳定地存在。
这就像我们的太阳系一样,地球和太阳几乎同时产生。地球产生之后就一直稳定地围绕着太阳转动,才会形成接近圆形的地球轨道。
可如果是两个黑洞合并,或者是外来的黑洞入侵了原来的系统,按理说形成的轨道应该是椭圆形,而不是圆形的。
当然,随着时间的推移,椭圆形的轨道会变成圆形的。但是,按照天文学家的计算,假如这个黑洞是这种情况,那发生这种变化需要的时间会比宇宙的年龄还要长。所以,这个黑洞也不太可能是经过合并形成的。

所以,在现有的模型体系下,这个银河系内的70倍太阳质量的巨大黑洞,无论如何都是不应该形成的。

其实一颗恒星从形成到演化成黑洞,这算得上是天文学模型体系中最基础的一个环节。但是,现在一个看似“不可能”的黑洞就摆在我们的眼前,这也意味着,天文学里最基础的环节遭到了巨大挑战。

我们应该以什么样的态度去面对天文学知识?

第一,天文学获取的信息实在是太有限了,现在我们掌握的全部知识可能都只是阶段性的认知。
所以面对庞大的宇宙,我们还是要保持谦卑,要一点一点地积累我们的认知,时刻保持高度警惕。

第二,科学理论只是通往科学真理的阶段性的进步,但不等于真理本身。这个道理其实是科学发展的精神,普遍适用于所有的科学理论,只不过在天文学领域中体现得特别极致。

来源:浣花溪综合高爽老师解读,如有侵权,请联系我们删除。

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