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  月幫助201720人

  到上世紀80年代中期，我們在伯克利的研究團隊找到了確鑿的證據，首次證明了這個質量巨大的物體的存在，一個巨大的黑洞，也就是類星體的發現者們談論的以及廣義相對論預測存在的黑洞。這是真的嗎？也許是真的。但一些同事還是完全無法信服。因為他們覺得氣體并不是一個很好的追蹤引力的對象，磁場或來自星風可以把氣體吹散。恒星才是更好的研究對象。另一個原因是幾光年的距離已經是視界半徑的一百萬倍了，所以我們研究的區域距離事件視界還有相當的距離。因此有理由懷疑那是不是黑洞本身的質量。也許有其它更適合的研究對象，比如由100萬顆中子星或者我們看不到的暗星組成的星群。因此我們不得不推倒重來。我去到了德國，在馬克斯·普朗克外層空間物理研究所建立了新的研究團隊。我們建造了能夠精確觀測恒星運動的新設備，這需要大量的技術新的探測器以及大型天文望遠鏡，從而測量恒星的運動。幾年后由安德烈婭·蓋茲領導的團隊也啟動了相同的實驗。他們使用的是位于夏威夷冒納凱阿的凱克天文望遠鏡，我們當時使用的是位于智利的歐洲南方天文臺的望遠鏡。蓋茲他們在加州和夏威夷開展研究。我們看這張照片，也就是黃色十字代表的人馬座A星的射電源中心的那個圓圈。我們可以通過將不同年份標記為不同顏色來對比星體運動，第1年紅色，第2年綠色，第3年藍色。我們用肉眼就可以發現，在非常靠近射電源的地方恒星正在移動。速度是多少？它們的運行速度相當于地球公轉速度的一百倍，運行的尺度只有大概一光年左右。這樣我們就可以計算出中心天體的質量，仍然是幾百萬個太陽質量，和十年前的結果相同，但現在這一結論是用更可靠的追蹤對象得到的。但那里一定是黑洞嗎？現在距黑洞的距離仍然是事件視界半徑的10萬倍，你仍然可以認為這一巨大的質量來自于一些別的質量分布，而不是來自于一個黑洞。因此研究還要繼續下去，我們需要分辨率更高的照片。除了計算恒星的平均運行速度，我們也開始思考是否能找到運行速度極快且非常靠近黑洞的恒星，這樣就可以追蹤它的運動軌道。大自然已經對我們足夠好了，所以我們不能總是希望在宇宙探索中有所發現，我們并不能像在實驗室一樣通過設備去進行研究。但是現實是，大自然確實給了我們一些（距離很近的）恒星。尤其是這個恒星，它距離射電源只有17光時（光時：光一小時走過的距離），17光時相當于海王星繞日軌道半徑的4-5倍。它在2002年運行到了距離射電源17光時的地方，運行速度相當于光速的2.5%。這是難以置信的，我們從沒見過這么快的速度，不需要多少分析我們也能知道。這個恒星現在距離那個質量相當于幾百萬個太陽的天體肯定不到17光時了，除非那里有黑洞（否則無法解釋）。另一個需要證明的關鍵點就是我們的計算結果。我們用智利的望遠鏡（藍色）和蓋茲用凱克望遠鏡（紅色）得出的結果完全一致。這對科學來說至關重要。你可以得出任何結論，但結果必須能夠被重復驗證才能令人信服。而我們觀測到的也不只這一個恒星，我們發現了一組這樣的恒星，并逐步繪制了以射電源為中心的恒星軌跡圖。目前有大約50個恒星，有些距離射電源很近有些較遠，一些擁有高偏心率的橢圓軌道，其他的軌道則更接近在一個平面內。我也無法完全解釋，現在我們仍然不知道這些恒星是如何運動到它們現在所處的位置的。這些恒星的形成時間都不長，它們并沒有足夠的時間去移動到如此接近黑洞的地方。因此肯定還有我們尚未理解的過程。但就像我說的，大自然對我們很好，它給了我們這些恒星，我們可以通過這些恒星去追蹤引力勢能，并畫出詳細的星體圖。大約在十年后的2005年左右，我們開始思考如何得出更確定的結論。我們已經確定那里有物體（也許是黑洞），我們對它質量的估計的準確性有10%左右。這已經很不錯了，但它肯定是黑洞嗎？我們一直在問這個問題：它肯定是黑洞嗎？很遺憾，答案仍然是一樣的：它可能是一個黑洞。它符合黑洞的特性，但也不一定就是黑洞。我們還需要更深入的研究。我們是基于廣義相對論進行相關計算的，但前提是廣義相對論在那個從未有人做過實驗的極端環境中依然是成立的。我們確定那顆（圍繞射電源公轉的）恒星會回來，它按橢圓形軌道運行，公轉周期16年。所以2018年我們會再次觀測到它。如果我們加倍努力，也許就能有進一步的發現。那如何做到呢？智利的天文望遠鏡位于圣地亞哥市以北一千公里的阿塔卡瑪沙漠，也就是歐洲南方天文臺所在地。那里有4座直徑8米的超大型天文望遠鏡，但目前我們只用了其中一座。射電天文學家60年前就知道，我們可以通過合并兩座相距遙遠的天文望遠鏡的光來提高分辨率，也就是通過光的干涉來提高分辨率。所以我們也可以這么做，但相比于射電來說難度更大。因為我們關注的波段波長更短，而地球大氣層很不穩定，只需要一毫秒波形就會被破壞。所以這是一項技術上極具挑戰的實驗，但我們由弗蘭克·艾森豪威爾領導的團隊做到了。來自歐洲各個研究所和歐洲南方天文臺的研究員組成的團隊搭建了一個叫做“Gravity”的儀器，它可以將來自四個望遠鏡的紅外波段的光進行干涉，現在我們將分辨率和天體位置測量精度提高了10-50倍。然后我們要做的就是等到2018年那個恒星再次出現，我們再去驗證廣義相對論是否成立。說到“Gravity”的超高分辨率，我們來看這張月球照片。我們看到，它可以分辨月球表面的一枚歐元一分硬幣，相當于10μas（微阿秒），這也是分辨星系中心黑洞的事件視界所需的角分辨率。研究早期的照片都是很模糊的，我們能看到單個星體但不清晰。后來我們開始使用大型天文望遠鏡和自適應光學技術，得到了高分辨率照片。照片中我們可以看到圍繞射電源的整個星群，也就是人馬座A星（射電源）。通過這些年的觀測和計算，我們可以了解整個星系的運動。有了“Gravity”之后，我們可以獲得圍繞射電源中心的高分辨率照片。令人驚喜的是，今年的照片還捕捉到了除人馬座A星之外的其它4個星體，所有這些星體都聚集在不超過太陽系空間的范圍內。它們的運行速度極快，對它們的研究是一項巨大的實驗，來驗證引力理論。我們可以觀察它們每天或幾個月內的活動，我們可以看到黑洞是如何聚集這些恒星的，并以此來推測引力勢能以及引力場的特性。我們的研究已經走過了一段很長的路，從最初的觀察氣體云的活動到觀察恒星的運動，再到觀察某個恒星的軌道，一直到現在同時觀察多個恒星的軌道。我們對恒星運動的觀察已不再是以年為單位，而是精確到每一天。這讓我們可以驗證廣義相對論，目前誤差率只有不到0.1%，具體是5x10-4，這是極其精確的觀測。那么我們看到了什么？我們發現的與牛頓定律相背離的現象之一就是引力紅移。如果一顆恒星圍繞著像黑洞一樣質量巨大的天體在運行，那么射向我們的光子的部分能量會轉化為引力勢能，這就會導致光子紅移。從下方照片可以看出，根據牛頓的理論，波長關于時間的函數會是一條直線，但我們看到實際上波長增加了約0.05%。我們的數據精確地驗證了廣義相對論對這條紅色曲線的預測。我們要驗證的第二點就是廣義相對論對軌道的預測。就像我剛才提到的，根據牛頓的理論，各個行星以太陽為中心按照一定的軌道運行，如果沒有其他干擾的話，軌道是穩定的。但廣義相對論的看法則不同，根據廣義相對論的預測，如果存在黑洞且恒星圍繞其進行軌道運動，那么軌道會隨著時間推移越來越靠近黑洞，也就我們所說的順行軌道。那顆恒星的軌道每16年順行12弧分（又稱“角分”，天文學中的一種角度單位，1弧分=1/60度），通過數據我們也可以看到軌道蜷縮，也就是軌道向著黑洞的方向移動。我想再重復一下，牛頓理論預測軌道不會發生任何變化，而廣義相對論則預測了很強的紅移效應，我們的測算也完全驗證了廣義相對論的預測，最終我們也在紅外區域看到了人馬座A星。這是一個非常易變的射電源，紅外區域的輻射能很可能來自磁場中的高能電子。這就是我們所說的電磁爆，一旦發生電磁爆，我們會看到那個紅外輻射中的小點（指Sagittarius A）圍繞著中心位置運動，軌道半徑大約是黑洞事件視界半徑的幾倍，運行速度大約為光速的三分之一。這些數據也吻合了我們對黑洞的預測。我們的研究已經走過整整40年了，我們穿越的距離是事件視界半徑的一百萬倍。這期間不斷有研究員加入我們，而我們在各種研究中也驗證了同樣的發現，那里很可能有且只有一個致密天體，也許還有一些恒星級黑洞，但主要就是一個天體（黑洞）。各種物理學特性也符合完全廣義相對論的預測。這就是研究者的幸運。當我們探索森林時，我們會去發現自然賦予了我們什么，然后我們成功了。但在這個領域我們并不是唯一取得如此成果的人。蓋茲、彭羅斯和我共同獲得了去年的諾貝爾物理學獎。我們的研究成果只是在這個極限領域驗證廣義相對論的突破之一，他人的成果包括發現了兩個恒星級黑洞結合時的引力波，這就是最近幾年的成就，也將我們引向類似的結論，計算結果也與廣義相對論完全吻合。但這兩個黑洞的質量并沒有幾百萬個太陽那么大，而是三四十個太陽那么大。射電天文學家也對這些亮度極高的類星體進行了觀測，他們發現確實像廣義相對論預測的那樣，天體質量中心旁邊的光是彎曲的，射電波向下傾斜形成了陰影，這也完全契合了廣義相對論的預測。從愛因斯坦到現在相關研究已歷經百年，我們已經做完了所有的事情嗎？我們的宇宙探索已經完成了嗎？并沒有。我們還希望解答更多的問題——視界的內部是什么？奇點是什么樣的？這些黑洞真的曾經對銀河系和其它星系的演化產生了重要影響嗎？…… 原問題：《如何驗證黑洞的存在？》

  回復于 2022-12-02 12:42:44