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诺贝尔物理学奖解读:揭开银河系中心最黑暗的秘密

时间: 2020年10月09日 | 作者: Admin | 来源: fun88(www.22vfpn.com)
2020年的诺贝尔物理学奖授予了英国理论物理学家罗杰·彭罗斯与德国天文学家赖因哈德·根策尔、美国天文学家安德莉亚·盖兹。


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钱德拉X射线望远镜拍摄的银河系中心超大质量黑洞(图片来源:NASA/UMass/D.Wang et al.)


北京时间今天傍晚,今年的诺贝尔物理学奖授予了英国理论物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)与德国天文学家赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)、美国天文学家安德莉亚·盖兹(Andrea Ghez)。


在之前,我们通过彭罗斯亲笔撰写的文章,了解了他在黑洞理论领域的工作。如果说彭罗斯的工作为我们认识黑洞提供了理论基础,那么另外两位获奖者根策尔和盖兹则是直接观测到银河系中央的超大质量天体——这很可能是一颗超大质量黑洞。下面这篇文章,将带领大家回顾对于银河系中心黑洞的探索旅程。



我们无法直接观测到黑洞,但通过其巨大的引力,我们可以间接感知这种神秘天体的存在。


根策尔和盖兹就领导独立的研究团队,分别对银河系中心进行了探索。直径10万光年的银河系如同一个近乎平坦的圆盘,包含了数千亿颗恒星以及大量星际间的气体、尘埃。当我们从地球上向银河系中心看去,这些气体、尘埃阻挡了绝大多数的可见光。因此,天文学家通过红外及射电望远镜,观测到了银河系中心恒星的最早图像。


利用这些恒星的轨道作为指引,根策尔和盖兹找到了银河系中心有超大质量天体存在的确凿证据。而超大质量黑洞,是其中一种可能的解释。



指向银河系中心


在半个多世纪前,天文学家就猜测,银河系中心可能有黑洞存在。在1962年发现类星体之后,天文学家认为,在大多数大型星系内部,都应该有超大质量黑洞,这也包括我们所在的银河系。但在当时,没有人能够解释,这些星系与其中那些少则数百万,多则数十亿倍太阳质量的黑洞,是如何形成的。


100年前,美国天文学家哈洛·沙普利(Harlow Shapley)首次推算出了银河系中心的位置,位于人马座方向。随后的天文学观测在那片区域发现了一处强烈的射电源,并将其命名为人马座A*。在上世纪60年代末,人们已经知道,人马座A*占据了银河系的中心位置,星系中的所有恒星都围绕其运行。


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太阳系与人马座A*在银河系中的位置 


直到20世纪90年代,随着天文望远镜及其他设备的发展,天文学家得以对人马座A*进行更系统的研究。根策尔和盖兹分别启动研究项目,试图透过尘埃和气体,看见银河系中心的图像。


在天文学中,“越大越好”是绝对的真理。只有最大的天文望远镜,才能捕捉到遥远恒星的画面。德国的根策尔团队最初使用的是位于智利La Silla天文台的新技术望远镜(New Technology Telescope,NTT),随后,他们转而使用了同样位于智利,性能更强的甚大望远镜(Very Large Telescope,VLT)。VLT由4台大型望远镜组成,每一台的体型都相当于NTT的两倍。VLT还拥有全世界最大的单一镜面,每一面的直径都超过8米。


而在美国,盖兹带领的研究团队使用位于夏威夷冒纳凯阿火山的凯克天文台(Keck Observatory),其镜面直径接近10米,同样位于全球前列。这个镜面形状如同蜂巢,由36块六边形的镜面部件组成,它们可以独立移动方向,从而更好地聚焦光线。



恒星指路


我们住在一片将近100千米深的大气“海洋”之下,受大气层的影响,不论望远镜有多大,它们看到的细节总会受到限制。如果大气层中某些区域的温度与周围不一致,它们就会像透镜一样,扭曲通往望远镜的光线。这就解释了为什么星星会“眨眼”,为什么我们对星星的成像如此模糊。


自适应光学(adaptive optics)的出现,对改良观测结果极其重要。如今,望远镜有了一层额外的薄镜,可以自动对空气中的不稳定因素进行补偿,从而矫正扭曲的图像。


在将近30年中,根策尔与盖兹一直追随着银河系中央繁星中,他们各自感兴趣的那些恒星。他们逐渐发展、改善观测技术,搭配上越来越敏感的电子光线传感器和自适应光学设备,使得图像的分辨率提升了一千倍有余。现今,这些设备已能更精确地判断恒星的位置,夜复一夜地跟踪它们的轨迹。


研究人员在众多恒星中选出了三十多颗最亮的。这些恒星在距离银河系中央1/12光年的范围内高速移动,如同蜂群般翩翩起舞。与之相比,在这个圆周之外的恒星则更守规矩,循着它们各自的椭圆形轨道移动。


其中一颗叫“S2”(或“S-O2”)的恒星,用不到 16 年的时间围绕银河系中央的轨道完成了一次周转。在这样一个极短的时长内,天文学家得以画出完整的完整的轨道地图。我们可以把这个环绕时长与太阳的相比:太阳围绕银河中心完成一整个环绕需要 2 亿年;在如今这一轮环绕的开端,恐龙还在我们的地球上漫步。


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理论与观察结合


两组观测结果十分吻合,研究人员因此得出结论:在我们的星系中很可能存在着一个约为 400万个太阳质量,近似于太阳系体积的黑洞。


下一步,我们将要对人马座A*进行直接观测。就在去年,事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)天文学网络成功对一个超大质量黑洞的周围进行了成像。在距我们5500万光年的M87星系中央,坐落着一个由一圈火环围绕着的黑洞。


M87星系中央的黑洞规模惊人,质量是人马座A*的1000倍有余。而近期观测到的引力波,成因是两个黑洞的相撞——这两个黑洞相比起M87星系中央的黑洞要轻得多。与黑洞一样,引力波也一度也只存在于爱因斯坦的广义相对论中,而无法直接观测到。在2015年秋,美国的LIGO探测器才第一次捕捉到它的身影。引力波的发现摘得了2017年的诺贝尔物理学奖。


而对于黑洞,看上去天文学家也在逐渐接近答案。根策尔和盖兹的开创性工作为其他天文学家指明了道路,使得他们能够精确验证广义相对论及其最奇特的预测。这些研究工作也将为新的理论提供线索,揭示隐藏在宇宙中的更多秘密。