诺贝尔明星巡礼系列（十）——黑洞的发现

2020诺贝尔物理学奖获奖者介绍

北京时间10月6日18:05，2020年诺贝尔物理学奖揭晓获奖名单，英国数学物理学家Roger Penrose （1931年出生）、德国天体物理学家Reinhard Genzel、美国天文学家Andrea Ghez共同获奖。Roger Penrose的获奖理由是“发现黑洞的形成是对广义相对论的稳定预测”，Reinhard Genzel和Andrea Ghez的获奖原因是“发现银河系中心的超大致密物体”。他们将分享1000万瑞典克朗奖金（约合760万人民币）。



诺贝尔物理学奖114次颁奖中，先后有215位科学家获此殊荣。迄今为止，中国籍学者拿到诺贝尔奖的只有莫言和屠呦呦两人。2017年恢复中国籍的科学家杨振宁，在1957年摘得诺贝尔物理学奖时，非中国国籍。杨振宁之后，一度被寄予摘下诺贝尔物理学奖厚望的美籍华人物理学家张首晟，于2018年12月意外离世，成为科学界巨大损失。

什么是黑洞？

黑洞（Black hole）“是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”，它是一个空间区域，由于恒星运行到生命终点时收缩后产生，其附近物体无法逃脱其引力，包括光，故黑洞不可见，也因此得名。黑洞不能被直接观测，但可以通过黑洞对周围环境的影响对其间接定位。根据黑洞本身的物理特性质量、角动量、电荷划分，可以将黑洞分为五类——不旋转不带电荷的黑洞：它的时空结构于1916年由史瓦西求出，称史瓦西黑洞；不旋转带电黑洞：称R-N黑洞，时空结构于1916至1918年由赖斯纳（Reissner）和纳自敦（Nordstrom）求出；旋转不带电黑洞：称克尔黑洞，时空结构由克尔于1963年求出；一般黑洞：称克尔-纽曼黑洞，时空结构于1965年由纽曼求出；双星黑洞：与其他恒星一块形成双星的黑洞。

早在1783年，英国地理学家约翰·米歇尔（John Michell）便提到：一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。1798年，法国科学家拉普拉斯就根据牛顿建立的力学理论推测：“一个直径像地球、密度为太阳250倍的发光恒星，在其引力作用下，将不允许它的任何光线到达我们这里。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。



20世纪70年代，英国科学家霍金等人以量子力学为基础，对黑洞作了更缜密的考察，结果发现黑洞会像“蒸发”那样稳定地往外发射粒子，黑洞就不再是绝对“黑”的了。霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，而且质量越小的黑洞温度就越高，质量越大的黑洞，其温度反而越低。大黑洞的温度很低，蒸发也很微弱；小黑洞的温度很高，蒸发也很猛烈，类似剧烈的爆发。一个质量像太阳那么大的黑洞，大约需要一个地球年才能蒸发殆尽；但是质量和一颗小行星相当的小黑洞，竟会在一秒钟内就蒸发得干干净净！

一个来自以色列特拉维夫大学的天文学家小组发现，宇宙中最大质量黑洞的首次快速成长期出现在宇宙年龄约为12亿年时，而非之前认为的20~40亿年。天文学家们估计宇宙的年龄约为138.2亿年。



2005年3月，美国布朗大学物理教授‘霍拉蒂·纳斯塔西’在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。2009年10月15日，《科学》杂志宣布，世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过，这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界，还能帮助人们更好地吸收太阳能。

2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。



2020年10月14日，美国太空网站报道《望远镜观察到黑洞通过“意面化”杀死恒星》。其中谈到：望远镜捕捉到一颗垂死的恒星在被一个超级黑洞撕裂时发出的罕见闪光。这一罕见的潮汐撕裂事件是已知距离地球最近的此类事件，相距距离仅为2.15亿光年。在潮汐撕裂事件中，恒星会被“意面化”(变成意大利细面条状)。对这一事件的研究结果表明了物质是如何离开恒星的，并展示了恒星在濒死时发出的闪光。欧洲南方天文台官员说，过去很难看到这些事件，因为黑洞吞噬恒星时，垂死的恒星中往往会喷射物质，比如尘埃，从而使视野变得模糊。幸运的是，本次事件在恒星被撕裂成碎片后不久就进入了研究人员的视线。