黑洞照亮宇宙 ——银河系中心黑洞及其物理意义

|作者：王建民

(中国科学院高能物理研究所)

本文选自《物理》2021年第1期

摘要2020年度诺贝尔物理学奖颁发给为黑洞和超大质量致密天体做出突出贡献的三位科学家，他们分别从理论和观测上提供了令人信服的证明和证据。他们的工作打开了理解宇宙中大质量天体命运的窗口。人们普遍相信超大质量黑洞存在于每一个星系的中心，是这些黑洞照亮了再电离时期的宇宙，也是它们为揭开宇宙膨胀历史、暗能量宇宙演化性质、纳赫兹低频引力波等诸多谜团提供了十分强大的工具。预计未来5年内，反响映射和GRAVITY/VLTI联合观测将在以黑洞研究为支撑的领域取得重大进展。

关键词??黑洞，活动星系核，类星体，引力波

2020年10月6日瑞典诺贝尔奖委员会宣布，因对黑洞理论和大质量致密天体观测研究，本年度物理学奖分别授予英国牛津大学罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)教授，德国马普地外物理研究所莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)教授和美国加州大学洛杉矶分校安德里亚·格兹(Andrea Ghez)教授(图1)。其中，彭罗斯教授证明了黑洞是广义相对论的必然结果，引力坍缩是大质量天体的必然命运；根泽尔教授和格兹教授在银河系中心发现超大质量致密天体(即银河系中心的超大质量黑洞)。新闻发布会上，诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德谈到，“今年获奖者的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题，并激发未来的研究”。物理学家和天文学家均认为获奖是实至名归。大质量黑洞研究正处于方兴未艾的初创阶段，关于它们如何形成与如何演化以及在宇宙演化中的重要作用等重大问题的探索才刚刚拉开帷幕。

图1 2020年3位诺贝尔物理学奖获得者。左起：罗杰·彭罗斯，莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹

1 引 言

在爱因斯坦发表引力场方程不到半年的时间，德国 Potsdam 天文台台长，正在第一次世界大战前线的施瓦西(K. Schwarzschild)在战壕里求解了引力场方程，得到了第一个解析解，度规如下：

其中

为施瓦西半径，G为引力常数，c为光速，AU为日地距离，大约为1.5×1013cm。度规中的第一项显示出了引力红移，第二项出现奇点Rs。这个奇点是真实的吗？如此高的密度，这个大质量的物体在宇宙中是何种天体？萦绕在物理学家和天文学家头脑中的这一重大问题在20世纪60年代才有了突破性进展。施密特(M. Schmidt)于1963年发现了类星体，激起了彭罗斯对引力坍缩的浓厚兴趣，在1964年底证明了这个奇点是广义相对论的必然结果，即黑洞是大质量天体的必然命运[1]。然而，对类星体的物理理解却经历了20多年的时间。在探索宇宙的道路上，对大质量黑洞的研究中充满了挑战和艰辛。

美国天文学家赛弗特(K. Seyfert)最早注意到某些星系的中心区域特别亮。他首次拍摄了NGC4151等6个星系的核心光谱，被后人称为赛弗特星系，或者活动星系核。令人惊讶的是，光谱被发射线主导而且谱线轮廓宽度高达每秒 6000 km，完全不同于恒星光谱。令人遗憾的是，这些结果并没有受到同行的重视。直到1958年 Chicago 大学 L. Woltjer 在他的博士论文里深刻地认识到，这些宽发射线所在的核心区域，一定被一个?108 M⊙ 质量的强引力场束缚，才不至于土崩瓦解。这个深刻认识其实来自一个简单判断：如果这个每秒 6000 km 的速度对应于热运动速度，那么这个区域的温度将达到?108 K 以上，所有的元素都将全部电离，这样就不可能看到发射线，因此，这个运动速度一定是非热运动。除了红移，NGC4151的光谱与类星体无异，这些物理思考已经非常接近预言类星体的存在了，但是复杂凌乱的天文现象遮挡了深层次的物理图像。

然而，类星体研究的第一个大问题是，它们红移的本质是什么？是宇宙学红移还是局部物理过程引起的红移？从1960年代开始，著名学者领导的两个学派坚持各自的学术观点，进行了十分激烈的争论。随着类星体样本数量增加，红移越来越高，红移的宇宙学起源在经历了20多年的争论之后，逐渐成为科学界的共识。胜利属于具有敏锐智慧的学者。在宇宙学起源的假设下，前苏联著名天体物理学家Y. Zel′dovich教授(苏联原子弹之父)和美国康奈尔大学E. Salpeter教授，在类星体发现之后不到一年的时间里，各自独立地提出超大质量黑洞存在于星系中心，由于吸积周围气体释放出大量能量，形成类星体。这一大胆充满睿智的解释奠定了类星体内部结构的基本框架，人类对能源机制的认识又从核能回到了引力能。如果赛弗特星系和类星体是由星系中心黑洞的吸积产生，在河外星系观测启发下，一个自然的问题是银河系中心是否存在黑洞？根泽尔和格兹教授就是在此信念支持下，对银河系中心进行了长达30多年的观测研究，从观测上证明了超大质量黑洞的存在。这一里程碑式的进展，获得诺贝尔物理学奖是实至名归。

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