《科学画报》
开博时间：2016-07-01 14:43:00由中国科学社于1933年8月创刊，距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中，形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识，形式多样地普及科学技术的特点，对提高广大群众的科学水平，启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用，当今的不少著名学者、教授、科学家，青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。
黑洞的理论预言与观测证实
2021-01-20 10:34:00 暗星与黑洞
牛顿力学于1667年建立，它在描述宏观物体的运动时，取得了巨大成功。从此牛顿力学上升为物理学的第一原理，统治科学界300多年。在牛顿力学的框架内，英国地质学家约翰·米歇尔与法国的皮埃尔-西蒙·拉普拉斯分别在1783年、1796年独立地提出了“暗星”的概念，即表面逃逸速度大于光速的星体。因为光也无法逃逸其表面，称之为暗星。将太阳半径从现在的70万千米压缩到大约3千米，或者将地球半径6 400千米压缩到0.9厘米，它们才能变成暗星。因此，暗星是非常致密的天体。黑洞与暗星概念上存在本质的不同，黑洞是爱因斯坦广义相对论的一个理论预言。
牛顿力学是建立在绝对时空观基础之上的。爱因斯坦的广义相对论认为物质和时空存在相互作用，物质可以改变时空的性质，使得时空变弯曲，而弯曲时空可以决定其中物体的运动。
在广义相对论中，不存在引力这种所谓的相互作用。地球绕着太阳转，本质上是由被太阳弄弯曲的时空性质决定的。爱因斯坦于1915年11月18日发表了决定时空如何弯曲的引力场方程，代表着广义相对论的正式建立。之后不到两个月，德国天文学家卡尔·施瓦西通过求解真空引力场方程，得到了引力质量为M的球对称天体外面的时空是如何弯曲的。
根据施瓦西解，假设星体的引力质量在施瓦西半径(=2GM/c^2 )之内，那么物质(包括光)一旦越过该半径就有去无回，也就是以施瓦西半径为半径的球面是单向膜，其内部的信号无法传播出去，我们称之为视界。从字面意思理解，它是我们能看到该天体最内的边界了。这就是广义相对论里黑洞的概念。1963年，新西兰数学家罗伊·帕特里克·克尔在1963年发现了一个克尔解，克尔解也存在黑洞视界。
黑洞的形成
根据施瓦西解和克尔解，理论上存在黑洞这样的天体。但是宇宙中是否真实存在黑洞?天体通过引力塌缩是否能形成黑洞?这些问题需要天体物理学家来回答。
1930年，年仅20岁的印度学生苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡在研究白矮星内部结构的时候，发现如果白矮星内部的压强由电子的简并压强(一种量子力学效应)提供，则白矮星的质量存在上限，约为1.4倍太阳质量，即钱德拉塞卡极限。在最大质量附近，白矮星的半径约为2 000千米。如果白矮星质量高于钱德拉塞卡极限，星体内部的压强无法与引力抗衡，星体不可避免要不断塌缩，形成黑洞。在塌缩过程中，白矮星也可能变成中子星，中子星内部的压强由中子简并压强提供。
1939年，罗伯特·奥本海默和乔治·迈克尔·沃尔科夫通过数值计算表明，中子星质量同样存在上限，即奥本海默极限。同年，奥本海默和哈特兰·辛德在广义相对论框架下研究了质量大于0.7倍太阳质量中子星的球对称塌缩。为了简单起见，他们假设塌缩过程星体内部压强可以忽略，最终计算表明，在随着星体一起塌缩的观测者看来，中子星在毫秒量级的时间被就塌缩到一点。这一点的密度无限大，广义相对论在该点失效，我们称之为奇点。无论是施瓦西黑洞还是克尔黑洞，不仅存在视界，也同时存在奇点。
但是许多人对此提出质疑，例如，苏联物理学家栗弗席兹和卡拉特尼科夫等人认为球对称的条件过于苛刻，现实中并不存在。类似的，约翰·阿奇博尔德·惠勒也表明了他的担忧：塌缩的星体会不断将自身物质转换为引力辐射而最终蒸发殆尽。有关黑洞存在性的理论研究陷入了停滞。
正是在此时，彭罗斯做出了革命性的工作。他放弃了球对称物质的假设，仅对坍缩星体的能量密度提出正定的要求，为此他引入新的数学方法——拓扑学来研究相关问题并创造性的提出“俘获面”概念。在1965年的文章中，彭罗斯假设一开始物质按照球对称分布形式进行引力塌缩，此时无限远处观测者只可接收到施瓦西半径之外的信号。当物质收缩到施瓦西半径以内时，周围的时空便出现一个闭合的类空二维曲面，即俘获面。俘获面一旦形成，即使物质的分布发生变化如偏离球对称等，也会一直存在下去。而在正定的能量密度条件下，俘获面内部的所有物质随着时间推移最终都会汇集到径向坐标的原点，故时空的奇点是不可避免的。该结果被称为彭罗斯奇异性定理，它表明若初始数据非常不平坦具有俘获面，且物质场满足合理的条件，则爱因斯坦方程意味着时空奇点是不可避免的。从此之后，黑洞一词被物理学家和天文学家广为接受。
观测黑洞
人们对于与黑洞有关的实际观测最早来源于20世纪60年代类星体3C 273的发现。在彭罗斯提出了有关黑洞的一系列理论后，超大质量黑洞吸积周围气体释放引力能成为解释类星体的主流模型。
自黑洞模型被用于解释类星体以后，天文学家大胆猜测大多数星系中心，包括我们的银河系中心都存在超大质量黑洞。在90年代早期，望远镜的角分辨率不足以在空间上区分彼此相距在银河中心黑洞的施瓦西半径量级的物体，故只能通过观测黑洞附近的恒星与气体的轨道来确定银河系中心物体产生的引力势能，得到黑洞的质量。若银河中心确实存在超大质量黑洞，则周围星体的速度应与其距离中心半径的平方根成反比，正如太阳周围的行星一样。因此对于银河中心附近星体速度的观测成为确定黑洞存在的关键。
20世纪90年代，根策尔与盖兹率领各自的团队分别在位于智利的欧洲南方天文台与位于夏威夷的凯克天文台开始了关于银河中心星体轨道的观测。
两个团队主要进行近红外波段的观测，并且率先发展应用了斑点成像的技术以抵消大气波动的影响，此技术要求在极短的时间(约0.1秒)对目标天体进行曝光成像，然后将得到的一系列图片用移位加法处理，最终获得更清晰的图像。这项技术成为在空间上分辨银河系中心人马座A*周围星体的有力手段。
由于斑点成像技术的极短曝光时间使得只有最亮的星体能够成像。为了长期追踪单个恒星的轨道，根策尔和盖兹的团队使用了自适应光学技术。利用该技术可以消除地球大气波动的影响，可延长曝光时间并利用光谱仪来研究恒星，从而得到它们的径向运动速度。运用新技术后，两个团队分别对单一恒星轨道进行了长达26年(1992—2018年)的追踪观测，观测结果为银河中心存在超大质量黑洞的假设提供了运动学层面的有力证明。此外两个团队利用精确的恒星轨道数据，对广义相对论进行了检验，结果观测与理论符合得非常好!这是一个了不起的实验成果。
随着技术的发展与观测水平的提高，人们逐渐在天文观测中得到黑洞存在越来越多的证据。2019年4月10日，黑洞视界望远镜合作组发表了首张超大质量黑洞照片。爱因斯坦曾经说过：“宇宙最不可理解之处是它是可理解的。”黑洞，这一宇宙中最奇特的物体，正慢慢向我们揭开它神秘的面纱。
文/袁业飞 侯嘉昊
本文来自《科学画报》
