从广义相对论到引力波：人类确实 “看到”黑洞了吗

20 新世纪 70 时代初，当索尔 · 图科斯基仍在修读理论物理学的博士研究生时，他就解决了一个看起来单纯假设性的难题。我们可以将黑洞想像成由大质量恒星点燃并坍缩而成的一个无限小的点，具备极其极大的吸引力。假定你振荡了这一黑洞，如同敲打一口铜钟一样，那黑洞会做何反映？

图科斯基那时候是加州理工大学的博士生，它用签字笔、纸和牛顿的吸引力基础理论——广义相对论——对这个问题开展了剖析。他发觉，黑洞如同一口铜钟，会以一个cpu主频和好几个泛频震荡。当黑洞释放出来引力波时，这种震荡会快速消退。现如今，图科斯基在宾夕法尼亚大学出任数学系负责人。他表明，这是一个十分有趣的难题，但直至 5 年以前，对这个问题的科学研究還是彻底抽象性的。

2016 年 2 月，科学研究工作人员第一次报导了用激光器干预引力波天文台认证（LIGO）观察到的引力波数据信号。依据测算，该引力波源于2个互相围绕、慢慢挨近的黑洞，他们间距地球上约 13 亿光年，质量各自约为太阳光的 29 倍和 36 倍。LIGO 乃至能检测到双黑洞系统软件合拼为更高黑洞以后的 “铃宕”（ring down，又被称为 “拖尾波型”）环节，等同于合拼全过程造成的振荡。据统计，他们合拼产生的黑洞质量约为太阳光的 62 倍，大约 3 倍太阳光质量的动能在不上 1 秒的時间内以引力波的方式释放。因此，图科斯基初期发布的毕业论文突然间变成了最前沿物理。

▲ 在对黑洞的一个仿真模拟中，强劲的吸引力歪曲了它周边高溫发亮的汽体吸积盘

尽管听起来很难以置信，但专家如今早已能够 将黑洞作为真正物件来科学研究了。自 LIGO 的开创性发觉至今，引力波探测仪早已发觉了 40 好几个黑洞合拼事情。2019 年 4 月，一个名叫事件视界望眼镜（Event Horizon Telescope，通称 EHT）的国际性项目合作拍攝了第一张黑洞图象。EHT 融合了世界各国的几台太空望远镜，产生了一台规格等效于地球直径的虚似望眼镜。科学研究工作人员将它指向了太阳系周边的室女 A 星球（M87），拍下了围绕其管理中心超大型质量黑洞 “黑影”的炙热汽体环。此外，科学家也在跟踪这些迅速贴近银河系中心黑洞的恒星，这种恒星的运动轨迹很有可能为表明黑洞自身的特性提供线索。

在星体科学家来看，这种观察結果早已挑戰了有关黑洞怎样产生，及其他们怎样危害周边环境的假定。科学研究工作人员根据对室女座干涉仪（Virgo，坐落于西班牙）的数据统计分析说明，先前 LIGO 所检测到的一些较小黑洞很有可能比预估的更重、更多种多样。这促使星体科学家更难以理解很有可能产生这种黑洞的大质量恒星。在大家的太阳系中，超大型质量黑洞周边的自然环境好像十分的 “富庶”，充满了年青恒星，而依照以前的猜测，这种恒星并不会在那样的 “涡旋”中产生。也有一些生物学家明确提出了一个更有诱惑力的压根难题：大家是不是确实看到了牛顿理论所预测分析的黑洞？

▲ 广义相对论对黑洞是啥，及其他们会怎样发生作出了十分实际的预测分析

一些基础理论科学家表明，回答很可能是平平常常的 “是”。美国芝加哥大学的吸引力基础理论学者约翰逊 · 沃尔德说：“从这种結果中，我不会觉得大家能学得大量有关广义相对论或黑洞基础理论的物品。”但别人并不那么觉得。“真正的黑洞与广义相对论中预测分析的黑洞是彻底一样，還是二种迥然不同的事情？”佛罗里达州高校的吸引力基础理论学者克利福德 · 维诺说，“这将是将来观察的关键。”一切异常现象都规定对牛顿的基础理论开展再次思索。科学家猜疑，牛顿的基础理论并并不是吸引力的最后结论，因为它与现代物理学的另一基础——物理学——背道而驰。

美国加州大学洛杉矶分校的星体科学家安德烈娅 · 盖兹表明，针对黑洞，科学研究工作人员早已根据多种形式得到了不一样而相辅相成的见解。盖兹因推断银河系中心存有超大型质量黑洞而得到 2020 年诺贝尔物理学奖。她讲：“要想拼奏一幅详细的景象，大家也有较长的路要走，但毫无疑问会寻找大量的拼图图片残片。”

填满分歧的黑洞

黑洞由纯引力能构成，充满了分歧。它不包含一切化学物质，但如同羽毛球一样，有着质量并可以转动；它沒有表层，但有尺寸；它的个人行为好似一个宏伟而有净重的物件，但事实上仅仅室内空间中一个独特的地区。

这恰好是牛顿在 1915 年发布的广义相对论中所讲的。早在2个新世纪前，艾萨克 · 哥白尼就明确提出，吸引力是一种以某类方法越过室内空间、使大质量物件互相吸引住的力。牛顿的见解更深一层，他觉得吸引力的造成是由于恒星和大行星等质量极大的物件歪曲了时间与空间——也就是时光（spacetime）——会造成 自由落体运动的物件产生运动轨迹弯折，例如抛出去的球以双曲线降落。

初期广义相对论的预测分析与哥白尼的吸引力基础理论仅有些许不一样。哥白尼预测分析大行星应当以平稳的椭圆形路轨紧紧围绕其恒星运作；广义相对论则预测分析每一个路轨会在运作时朝某一方位略微旋转，这被称作路轨进动（precess）。在广义相对论的第一次获胜中，牛顿证实了该基础理论能够 表述水星路轨的岁差，先前古典风格力学所预测分析的标值与水星近日点的进动并不符合，而广义相对论清除了观察与理论上的歧异。就在两年后，科学家意识到牛顿的这一基础理论还预示着一些更加颠覆性创新的物品。

1939 年，基础理论科学家约翰逊 · 奥本海默以及朋友测算出，当一颗质量充足大的恒星燃烧殆尽时，一切已经知道的力都没法阻拦它的关键塌陷为一个无穷小的点，其引力场如同时上空一个永久性的无底洞大坑。在间距这一点的一定范畴内，吸引力之强劲，连光都挣不脱。加州理工大学的基础理论科学家彼得 · 芬克尔斯坦在 1958 年明确提出，一切翻过这一间距的物件都将与宇宙空间的别的一部分阻隔，这就是说白了的 “事件视界”。事件视界并并不是一个物理学表层，落入在其中的航天员（假如很有可能得话）并不会见到哪些尤其的状况。芬克尔斯坦在 2016 年 1 月 24 日过世，就在 LIGO 公布检测到引力波的前几日；他留有了一个推理：事件视界将像一层单边膜，能够 让物件掉入，但內部的一切没法逃离。

依据广义相对论，这种物件——最后由知名基础理论科学家罗伯特 · 阿奇博尔德 · 惠勒取名为 “黑洞”——理应主要表现出令人震惊的相似度。1963 年，澳大利亚一位数学家罗伊 · 拉斯测算出了一定质量的转动黑洞会怎样歪曲时光。别的学者迅速证实，在广义相对论中，质量和磁矩是黑洞可以有着的2个本质特征，这代表着拉斯的公式，即 “拉斯度规”（Kerr metric），能够 叙述宇宙空间中存有的每一个黑洞。惠勒将这一結果称之为 “无毛定理”（no-hair theorem），以注重2个质量和磁矩同样的黑洞如同秃顶一样无法区别。图科斯基强调，惠勒自己便是秃顶，“这大约便是秃顶人员的荣誉感吧”。

加州理工大学的基础理论科学家瓦莱丽 · 卡罗尔表明，一些科学家猜疑黑洞很有可能并不会有，仅仅理论家们的想像的东西。这种怀疑论者觉得，黑洞很有可能仅仅广义相对论精妙数学体系的人力物质，或是只很有可能在非实际的标准下产生，例如一个极致球型恒星的坍缩。殊不知，在 20 新世纪 60 时代末，剑桥大学的基础理论科学家萨波 · 彭罗斯用认真细致的数学课清除了这种顾虑，他也因而共享了 2020 年的诺贝尔物理学奖。卡罗尔说：“彭罗斯精确地证实了，即便是一个小块物件，只需相对密度越来越充足高，它便会坍缩成一个黑洞。”

怎样检测黑洞？牛顿的广义相对论推测，当充足大的质量探寻时，会留有一个能够 自身保持的引力场，其抗压强度之大足够使一切物件都挣不脱，即便是光。可是，黑洞确实如广义相对论所推测的那样难以置信吗？观察科学家们如今早已拥有很有可能找到答案的专用工具：

1。跟踪恒星。跟踪银河系中心黑洞周边恒星的路轨能够 表明黑洞是不是像广义相对论预测分析的那般歪曲时间与空间；

2。拍攝图象。超大型质量黑洞的图象将为大家提供线索，以分辨它是不是像广义相对论预测分析的那般有着事件视界而不是物理学表层，并认证黑洞是不是仅有质量和磁矩2个本质特征

3。捕获引力波。当2个较小的黑洞围绕并合拼的时候会传出引力波，根据对引力波数据信号的观察，能够 表明这种黑洞是不是真的是化学物质实体线。假如合拼后的黑洞以cpu主频和泛频的方法震荡，就能认证它的基本上特性是不是仅有质量和磁矩。

迅速，科学家逐渐检测到黑洞存有的征兆。她们发觉了紧紧围绕恒星运作的细微 X 放射线源，例如天鹅座 X-1（Cygnus X-1）。星体科学家推论，这种 X 放射线来自于从恒星排出的汽体，当它落入某一神密的物件处时，溫度会持续上升。汽体溫度和路轨关键点说明，这一 X 放射线源的质量过度极大，动能范畴又极为小，因而除开黑洞之外不太可能是别的任何东西。相近的逻辑推理说明，漫长的类星体——能辐射源极大动能的主题活动星球核——也是由其管理中心的超大型质量黑洞出示动能的。

美国亚利桑那大学的星体科学家费娅尔 · 奥泽尔强调，没人能明确这种黑洞事实上就如基础理论科学家所勾勒的那般。“大家到迄今为止所获得的发觉，非常少能明确事件视界的存有，”她讲，“这是一个难以解决的难题。”

如今，根据多种多样观查黑洞的方式，专家能够 逐渐检测她们对黑洞的了解，找寻很有可能改变物理的探索与发现。“虽然这类概率十分小，但如果我们能发觉一切偏移广义相对论预测分析的結果，那将具备十分关键的实际意义，”卡罗尔说，“这是一个高危、高收益的难题。”

对黑洞的观察

生物学家期待回应三个很实际的难题：大家观察到的黑洞确实有事件视界吗？他们确实像无毛定理说的那般沒有别的特点吗？及其，他们会像拉斯度规预测分析的那般歪曲时光吗？

或许回应这种难题非常简单的专用工具便是安德烈娅 · 盖兹所开发设计的专用工具。自 1995 年至今，她与同事们一直在应用坐落于美国夏威夷的 10 米规格凯克望眼镜来跟踪人马座 A*（Sgr A*）周边的恒星。人马座 A * 是坐落于银河系中心的一个极为光亮且高密度的电磁波源。1998 年，她们观察到这种恒星在髙速健身运动，说明他们正紧紧围绕一个质量约为太阳光 400 千倍的物件运作。因为人马座 A * 在这般小的容积中容下了这般多的质量，依照广义相对论的预测分析，它一定是一个超大型质量黑洞。马克斯 · 普朗克宇宙之外物理研究所的星体科学家赖因哈德 · 根策尔也单独跟踪了这种恒星，得到了一样的结果，并与安德烈娅 · 盖兹一同得到了诺奖。

这在其中，绝大多数信息内容来自于一颗被盖兹称之为 S02 的恒星（根策尔记作 “S2”），它每 16 年紧紧围绕人马座 A * 转动一周，路轨是很扁的椭圆形。如同水星绕太阳光的路轨进动一样，S02 的路轨也应当具备这一状况。盖兹以及朋友尝试从极为繁杂的数据信息中找到这一进动效用。“大家早已十分贴近，”盖兹说，“大家发觉了一个数据信号，但仍在说动自身它是真正的。”2020 年 4 月，根策尔精英团队获得了一个重大发现：很多年观查说明，S02 恒星的路轨并沒有维持静止不动，只是迟缓产生着有规律性的旋进——即 “史瓦西进动”（Schwarzschild precession）——展现出宛如玫瑰结的运作运动轨迹。

假如好运气得话，盖兹和根策尔等学者有希望寻找别的的异常情况，以最后明确超大型质量黑洞的实质。黑洞的自旋应当会更改其周边恒星路轨的进动，而实际的改变方式能够 由罗伊 · 克尔的数学课叙述来预测分析。克利福德 · 维诺说：“如果有恒星比早已观查到的（黑洞周边）恒星间距更近——例如近 10 倍——那么就能够 检测克尔度规是不是完全的正确。”

恒星跟踪技术性很有可能始终没法检测到十分贴近人马座 A * 事件视界的地区。据统计，人马座 A * 的直径为 4400 万多公里，只比水星最贴近太阳的距离（4600 万多公里）略短。比较之下，事件视界望远镜（EHT）融合了来源于世界各国 11 台射电望远镜或列阵的数据信息，组成了一台巨大的虚似望远镜，能对另一个超大型品质黑洞开展近距观查。这一坐落于室女 A 星球中的佼佼者有着 65 亿倍左右太阳质量。

▲ 在这里张由事件视界望远镜（EHT）项目合作拍攝的代表性图象中，超大型品质黑洞在周边汽体的辉光中投影出一个灰黑色的环形 “黑影”

两年前，EHT 精英团队公布了一张知名的黑洞影像图片，看上去如同一个点燃的马戏团表演圆形，但事实上，图象中蕴涵的內容要繁杂得多。光亮的光晕来源于高溫汽体，其包围着的灰黑色一部分并并不是黑洞自身；反过来，它是正前方汽体传出的光被黑洞的吸引力歪曲（引力透镜效用）所投影出去的 “黑影”。但是，黑影的边沿并并不是事件视界的界限，只是超过了大概 50% 的间距；在这个间距范畴内，时光被歪曲到足够让越过的光绕着黑洞转动，既沒有肇事逃逸都没有掉入黑洞。

即使如此，这幅图象還是保存了与这一超大型品质黑洞管理中心相关的案件线索。比如，光晕的光谱仪能够 表明该物件是具备物理学表层還是事件视界。费娅尔 · 奥泽尔表述称，撞到物理学表层的化学物质会比滑进黑洞的化学物质传出更光亮的光（到迄今为止，科学研究工作人员都还没发觉光谱仪歪曲）。黑影的样子还可以检测黑洞的經典图象，即一个磁矩黑洞的事件视界应当在地球赤道处凸起。殊不知，广义相对论中的别的效用很有可能会相抵黑影的这一效用。“因为不一样方位的挤压成型被十分古怪地相抵了，黑影看上去依然是环形的，”奥泽尔说，“这就是为何黑影的样子能够 立即认证无毛定理的缘故。”

一些学者提出质疑 EHT 可否以充足的精密度得到黑洞图象，以开展这种认证。塞缪尔 · 坦斯拉是亚利桑那大学的基础理论科学家，他猜疑 EHT 很有可能并沒有 “见到”黑洞的黑影，只是从上向下俯览了紧紧围绕着黑洞转动的园盘状汽体。如果是那样的话，图中间的小黑点就只是是一场天体物理风暴的风眼。但奥泽尔表明，即便屏幕分辨率比较有限，EHT 仍然对认证广义相对论在黑洞周边的不明定义行业作出了杰出贡献。

比较之下，引力波传送的信息内容立即来源于黑洞自身。当黑洞以一半光的速度螺旋状合拼在一起时，这种时光漪涟便会不会受到阻拦地越过一般化学物质。现阶段，在 LIGO 和 Virgo 早已检测到的黑洞合拼事情中，黑洞的品质从太阳光的 3 倍到 86 倍不一。

唐纳德 · 欧母是一位吸引力基础理论学者，另外也是马克斯 · 普朗克吸引力物理研究所的 LIGO 精英团队组员。他表明，根据这种合拼事情，我们可以以多种多样方法检测黑洞。假定这种全是經典黑洞，科学研究工作人员就可以依据广义相对论测算出合拼造成的引力波啁啾数据信号是怎样加快，怎样做到最高值，也是怎样变弱的。假如这种大品质星体事实上是更高的化学物质实体线，那麼他们在挨近时便会互相歪曲，进而更改数据信号的最高值。到迄今为止，科学研究工作人员沒有发觉一切那样的转变 。

这类合拼也造成了一个受振荡的黑洞，如同图科斯基初期基础理论中所叙述的那般，而这就为认证广义相对论出示了另一个方式。合拼后的黑洞会发生短暂性而明显的震荡，展现为一个cpu主频和好几个较短的泛频。依据无毛定理，这种頻率以及延迟时间只在于最后黑洞的品质和磁矩。唐纳德 · 欧母说：“如果你独立剖析每一种方式时，他们都务必偏向同样的黑洞品质和磁矩，不然便会发生难题。”

2019 年 9 月，图科斯基以及朋友在一次数据信号尤其明显的合拼事情中，找到了cpu主频和一个泛频。对于此事唐纳德 · 欧母表明，假如实验者可以提升探测仪的敏感度，她们也许能发觉两到三个泛频，进而充足对无毛定理开展认证。

将来的黑洞科学研究

将来的探测仪器很有可能会使这种认证越来越更非常容易。安德烈娅 · 盖兹表明，已经澳大利亚和美国夏威夷修建的 30 米规格电子光学望远镜将具备比目前仪器设备高 80 倍的屏幕分辨率，能够 更细心地观查人马座 A * 周边的地区，并很有可能检测到间距该黑洞更近的恒星。相近地，EHT 的科学研究工作人员也在她们的互联网中添加了大量的射电望远镜列阵，这将使她们能更精准地拍攝室女 A 星球管理中心黑洞的图象。另一方面，她们也在试着观察人马座 A * 并显像。

此外，引力波学者早已下手开发设计下一代更灵巧的探测仪，包含干涉仪室内空间无线天线（LISA），它将由三颗间隔上百万千米的通讯卫星构成，在外太空中组成一个等边三角形。美国伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校的基础理论科学家尼德普 · 尤尼斯表明，LISA 探测仪具备非常高的检测敏感度，将在 21 新世纪 30 时代发送，它也许能在某一漫长的星球中，发觉一个一般的恒星品质黑洞螺旋挨近一个超大型品质黑洞，并最后与之合拼的全过程。

较小的黑洞能够 做为某类精准的探测仪，表明一个更高黑洞周边的时空扭曲是不是彻底如克尔度规的预测分析。尤尼斯强调，一个毫无疑问的結果将推进广义相对论对黑洞的推测，“但你务必等候 LISA 的进度”。

此外，黑洞在忽然间越来越能够 观察的客观事实早已更改了吸引力科学家的日常生活。广义相对论和黑洞以前只存有于思维实验中，或是只有像图科斯基那般开展雅致而抽象性的测算，如今却忽然变成基础物理学中最受欢迎的行业。为了更好地认证广义相对论，专家设计方案了必须资金投入达到数十亿美元的试验。“我真实觉得到这类变化，”唐纳德 · 欧母说，“这是一个十分小的社交圈，但伴随着引力波的检测，一切都更改了。”