黑洞仍然是宇宙中最神秘的现象之一。但多亏了今年三位诺贝尔物理学奖得主，我们对他们有了更多的了解。一半的奖金授予英国物理学家罗杰彭罗斯，他展示了广义相对论如何导致黑洞的形成。第二个是德国天文学家 Reinhard Genzel 和他的美国同事 Andrea Ghez 分享的，他们的观察证实了银河系中心存在一个超大质量黑洞。

今天，黑洞几乎是日常天文学的一部分——但同时它们仍然是宇宙中最大的谜团之一。因为它们是看不见的，却有着如此巨大的引力，连光都无法逃脱它们。确实，这些引力巨星通过一圈辐射等离子体、高速粒子射流或辐射爆发间接地揭示了自己。但天体物理学家只能猜测事件视界内发生的事情。直到 2019 年，天文学家才首次成功拍摄到一个超大质量黑洞——在明亮的光环中看到一个暗影。

罗杰彭罗斯和“被困飞机”

甚至阿尔伯特·爱因斯坦也不想相信这种奇异的结构根本存在——尽管他的相对论并没有排除这一点。因为它说大质量物体会扭曲时空——而黑洞包含如此多的集中质量，最终会导致时空坍缩。然而，如何在物理上描述这一点以及在这个过程中发生了什么，在很长一段时间内仍然不清楚和推测。但在 1944 年，英国物理学家罗杰彭罗斯在外出散步时有了一个关键的想法：他使用数学和拓扑学来发展“受困表面”的概念。这样的表面是一个二维的封闭结构——类似于一个环，它迫使所有辐射向内朝向中心。

彭罗斯认识到，在这个环内，总是有一个奇点，一个空间和时间无法再定义的点。这个概念解释了为什么光和物质只能从一个方向穿过黑洞的视界——向内。因为，正如彭罗斯所观察到的，空间和时间在这个被禁锢的表面中扮演着相反的角色。这在时间上将向内运动转变为向前运动。这正是从黑洞返回不可能的原因——因为这将是一次时光倒流。

射手座 A* 在路上

另一方面，Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 的成就是基于具体的观察。因为这两位天文学家和他们的团队已经相互独立地证明，在我们的银河系中心有一个超大质量黑洞——人马座 A*。在 1960 年代末已经很清楚，银河系中心有一个强无线电发射源。但只有 Genzel 和 Ghez 能够缩小这个物体的性质。他们通过观察该天体附近数十年来恒星的运动来做到这一点。Genzel 和他的团队使用位于智利的欧洲南方天文台的超大望远镜进行观测，而 Ghez 和她的同事则将凯克天文台的光学器件瞄准银河系中心。

在红外范围内的自适应光学和观测的帮助下，尽管有强烈的干扰辐射和尘埃，他们仍能够跟踪银河系中心恒星的速度和轨道。由此他们得出结论，在我们银河系的中心有一个引力巨星，将大约 400 万个太阳质量集中在一个相对较小的空间中。诺贝尔奖委员会表示：“莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹的开创性工作也为新一代精确检验广义相对论及其最离奇的预测铺平了道路。” 事实上，天文学家最近使用恒星 S2 验证并证实了爱因斯坦预测的黑洞人马座 A* 的进动和引力红移。