图片来源：Niklas Elmehed。© 诺贝尔媒体公司

今年的2020年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家——罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、安德烈亚·盖兹（Andrea Ghez）和莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel），他们为我们理解宇宙中最有趣、最矛盾的现象之一：黑洞做出了重大贡献。该奖项是为了证明黑洞可以在广义相对论中形成，以及在银河系中心发现与黑洞相容的超大质量致密物体。

爱因斯坦相对论的解答

早在1793年，英国天文学家约翰·米歇尔（John Michell）就首次预言了太空中存在密度如此之大，以至于没有任何物体，甚至连光也无法逃脱其引力场的黑暗物体，他假设天体可能变得如此稠密，以致于看不见。一个多世纪后，这些看不见的物体或“黑洞”—物理学家约翰·a·惠勒于1967年创造的一个术语—阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的相对论（theory of relative）也预言了这一现象，许多著名的物理学家、天文学家和数学家认为这只是理论推测。

彭罗斯（Penrose）在20世纪60年代所做的工作证明对理解黑洞的结构和物理至关重要，并为天文学家在我们的宇宙中寻找候选黑洞提供了一个框架。1965年，他提出了爱因斯坦相对论的解决方案，其中包括描述黑洞结构的“被困表面”这一关键概念。

被困表面是一个封闭的二维表面，时间和空间在其中切换角色，表面的内部类似于时间。所有光线都指向其中心，以奇点结束，这是时间和空间结束的边界。

为了做到这一点，彭罗斯发明了新的、巧妙的数学方法来描述超新星的物理性质，并用这种方法证明，一旦被困表面形成，在广义相对论范围内，就不可能阻止向奇点坍塌。换句话说，一旦物质开始崩塌，形成一个被困住的表面，任何东西都无法阻止崩塌的继续。他的发现被誉为广义相对论的第一个后爱因斯坦结果，为此他获得了今年诺贝尔物理学奖的一半。

银河系中心的一个黑洞

莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德烈亚·盖兹（Andrea Ghez）共同获得了剩下的一半奖项，因为他们发现了一个不可见且极其沉重的物体控制着我们星系中恒星的轨道。物理学家长期以来一直怀疑，黑洞可能位于我们星系的中心，然而，从地球上我们的有利位置进行直接观测是很困难的。

哈洛·沙普利是第一位确定银河系中心位于人马座方向的天文学家。通过后来的观察，天文学家在那里发现了一个强大的无线电波源，即人马座a*。

Genzel和Ghez以恒星轨道为导向，提出了迄今为止最令人信服的证据，以支持我们的星系在其中心包含一个巨大黑洞的理论。

Genzel和Ghez分别领导了马克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）和加州大学洛杉矶分校（UCLA）的团队，过去30年来，他们一直在监测恒星围绕天文学家确定的银河中心运行的运动。

考虑到银河系中心周围区域的拥挤程度以及星际云和尘埃阻挡了大部分可见光的事实，研究小组使用位于夏威夷和智利的红外望远镜对该区域的恒星进行了成像。通过一系列技术进步，这些团队能够补偿地球大气层造成的信号失真，大气层本身充当透镜，折射到达地球表面的任何光线—有趣的是，这就是为什么星星在晚上闪烁。

通过自适应光学的不断发展，随着时间的推移收集到了更灵敏的信号，并在银河系中心确定了恒星的精确轨道。一些被跟踪的关键恒星位于距离中心一个光月的半径内，它们在这个空间内快速移动，看起来就像一群蜜蜂一样随机。然而，该半径以外的恒星遵循有序的椭圆轨道。

一颗恒星，S2或S-O2，在不到16年的时间内完成了星系中心的轨道，与我们的太阳相比，这是一个非常短的时间，我们的太阳绕银河系中心一圈需要2亿多年的时间。

根据该团队的计算，射手座A*的黑洞的质量应为400万太阳质量，其面积与太阳系相当。虽然我们还没有直接对其进行成像，但Genzel、Ghez及其研究团队所做的工作已经为新功能、新见解以及我们前往星系中心的旅程中的下一步铺平了道路。

“今年桂冠奖得主的发现为紧凑和超大质量物体的研究开辟了新的领域。但这些奇异的物体仍然提出了许多问题，需要寻求答案并激发未来的研究。不仅是关于它们的内部结构的问题，而且还有关于如何在极端条件下检验我们的引力理论的问题诺贝尔物理委员会主席大卫·哈维兰德说。