從廣義相對論到引力波：人類真的已經“看見”黑洞了嗎？

在這張由事件視界望遠鏡（EHT）合作項目拍攝的標志性圖像中，超大質量黑洞在周圍氣體的義相已經輝光中投射出一個黑色的圓形“陰影”
（神秘的地球uux.cn報道）據新浪科技（來源：Science 撰文：阿德里安·周（Adrian Cho） 翻譯：任天）：20世紀70年代初，當索爾·圖科斯基還在攻讀理論物理學的對論到引博士學位時，他就解決了一個看似純粹假設性的力波問題。我們可以將黑洞想象成由大質量恒星燃燒并坍縮而成的人類一個無限小的點，具有無比巨大的黑洞引力。假設你擾動了這個黑洞，看見就像敲擊一口大鐘一樣，從廣那黑洞會作何反應？義相已經
圖科斯基當時是加州理工學院的博士研究生，他用鉛筆、對論到引紙和愛因斯坦的力波引力理論——廣義相對論——對這個問題進行了分析。他發現，人類黑洞就像一口大鐘，黑洞會以一個主頻和多個泛頻振蕩。看見當黑洞釋放出引力波時，這些振蕩會迅速消失。如今，圖科斯基在康奈爾大學擔任物理系主任。他表示，這是一個非常有意思的問題，但直到5年前，對這個問題的研究還是完全抽象的。
2016年2月，研究人員第一次報道了用激光干涉引力波天文臺（LIGO）觀測到的引力波信號。根據計算，該引力波源自兩個相互環繞、逐漸靠近的黑洞，它們距離地球約13億光年，質量分別約為太陽的29倍和36倍。LIGO甚至能探測到雙黑洞系統合并為更大黑洞之后的“鈴宕”（ring down，又稱“拖尾波形”）階段，相當于合并過程產生的擾動。據估計，它們合并形成的黑洞質量約為太陽的62倍，有約3倍太陽質量的能量在不到1秒的時間內以引力波的形式釋出。于是，圖科斯基早期發表的論文突然間變成了前沿物理學。
雖然聽起來很不可思議，但科學家們現在已經可以將黑洞當作真實物體來研究了。自LIGO的突破性發現以來，引力波探測器已經發現了40多個黑洞合并事件。2019年4月，一個名為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）的國際合作項目拍攝了第一張黑洞圖像。EHT結合了世界各地的多臺射電望遠鏡，形成了一臺口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡。研究人員將它對準了銀河系附近的室女A星系（M87），拍下了環繞其中心超大質量黑洞“陰影”的熾熱氣體環。與此同時，天文學家也在追蹤那些快速接近銀河系中心黑洞的恒星，這些恒星的軌跡可能為揭示黑洞本身的性質提供線索。
在天體物理學家看來，這些觀測結果已經挑戰了關于黑洞如何形成，以及它們如何影響周圍環境的假設。研究人員通過對室女座干涉儀（Virgo，位于意大利）的數據分析表明，此前LIGO所探測到的一些較小黑洞可能比預期的更重、更多樣。這使得天體物理學家更難以理解可能形成這些黑洞的大質量恒星。在我們的銀河系中，超大質量黑洞周圍的環境似乎出奇的“富饒”，充滿了年輕恒星，而按照之前的猜想，這些恒星并不會在這樣的“漩渦”中形成。還有一些科學家提出了一個更有吸引力的根本問題：我們是否真的看到了愛因斯坦理論所預測的黑洞？
一些理論物理學家表示，答案很可能是平淡無奇的“是”。美國芝加哥大學的引力理論學家羅伯特·沃爾德說：“從這些結果中，我不認為我們能學到更多關于廣義相對論或黑洞理論的東西。”但其他人并不這么認為。“真實的黑洞與廣義相對論中預測的黑洞是完全一樣，還是兩種截然不同的事物？”佛羅里達大學的引力理論學家克利福德·威爾說，“這將是未來觀測的重點。”任何反常現象都要求對愛因斯坦的理論進行重新思考。物理學家懷疑，愛因斯坦的理論并不是引力的最終定論，因為它與現代物理學的另一基石——量子力學——格格不入。
美國加州大學洛杉磯分校的天體物理學家安德烈婭·蓋茲表示，對于黑洞，研究人員已經通過多種手段獲得了不同而互補的觀點。蓋茲因推測銀河系中心存在超大質量黑洞而獲得2020年諾貝爾物理學獎。她說：“要想拼湊出一幅完整的圖景，我們還有很長的路要走，但肯定會找到更多的拼圖碎片。”
充滿矛盾的黑洞
黑洞由純引力能組成，充滿了矛盾。它不包含任何物質，但就像保齡球一樣，擁有質量并能夠旋轉；它沒有表面，但有大小；它的行為如同一個宏大而有重量的物體，但實際上只是空間中一個特殊的區域。
這正是愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論中所說的。早在兩個世紀前，艾薩克·牛頓就提出，引力是一種以某種方式穿過空間、使大質量物體相互吸引的力。愛因斯坦的觀點更深一層，他認為引力的產生是因為恒星和行星等質量巨大的物體扭曲了空間和時間——也就是時空（spacetime）——會導致自由落體的物體發生軌跡彎曲，比如拋出的球以拋物線下落。
早期廣義相對論的預測與牛頓的引力理論只有些微不同。牛頓預測行星應該以穩定的橢圓軌道圍繞其恒星運行；廣義相對論則預測每個軌道會在運行時朝某個方向稍微轉動，這被稱為軌道進動（precess）。在廣義相對論的第一次勝利中，愛因斯坦證明了該理論可以解釋水星軌道的歲差，此前古典力學所預測的數值與水星近日點的進動并不吻合，而廣義相對論消除了觀測與理論上的歧異。就在幾年后，物理學家意識到愛因斯坦的這個理論還暗示著一些更為顛覆性的東西。
1939年，理論物理學家羅伯特·奧本海默及其同事計算出，當一顆質量足夠大的恒星燃燒殆盡時，任何已知的力都無法阻止它的核心坍塌為一個無窮小的點，其引力場就像時空中一個永久的無底深坑。在距離這個點的一定范圍內，引力之強大，連光都無法逃脫。加州理工學院的理論物理學家大衛·芬克爾斯坦在1958年提出，任何越過這一距離的物體都將與宇宙的其他部分隔絕，這就是所謂的“事件視界”。事件視界并不是一個物理表面，掉入其中的宇航員（如果可能的話）并不會看到什么特別的現象。芬克爾斯坦在2016年1月24日去世，就在LIGO宣布探測到引力波的前幾天；他留下了一個推論：事件視界將像一層單向膜，可以讓物體掉進去，但內部的一切無法逃出。
根據廣義相對論，這些物體——最終由著名理論物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為“黑洞”——應當表現出驚人的相似性。1963年，新西蘭數學家羅伊·克爾計算出了一定質量的旋轉黑洞會如何扭曲時空。其他研究者很快證明，在廣義相對論中，質量和自旋是黑洞能夠擁有的兩個基本特征，這意味著克爾的數學公式，即“克爾度規”（Kerr metric），可以描述宇宙中存在的每一個黑洞。惠勒將這一結果稱為“無毛定理”（no-hair theorem），以強調兩個質量和自旋相同的黑洞就像禿頭一樣難以區分。圖科斯基指出，惠勒本人就是禿頭，“這大概就是禿頭人士的自豪感吧”。
加州理工學院的理論物理學家肖恩·卡羅爾表示，一些物理學家懷疑黑洞可能并不存在，只是理論家們的想象之物。這些懷疑論者認為，黑洞可能只是廣義相對論精妙數學體系的人工產物，或者只可能在非現實的條件下形成，比如一個完美球形恒星的坍縮。然而，在20世紀60年代末，牛津大學的理論物理學家羅杰·彭羅斯用嚴謹的數學消除了這些疑慮，他也因此分享了2020年的諾貝爾物理學獎。卡羅爾說：“彭羅斯準確地證明了，即使是一個塊狀物體，只要密度變得足夠高，它就會坍縮成一個黑洞。”
如何探測黑洞？愛因斯坦的廣義相對論預言，當足夠大的質量探索時，會留下一個可以自我維持的引力場，其強度之大足以使任何物體都無法逃脫，即使是光。但是，黑洞真的如廣義相對論所預言的那般不可思議嗎？觀測物理學家們現在已經有了可能找到答案的工具：
1。 追蹤恒星。追蹤銀河系中心黑洞周圍恒星的軌道可以揭示黑洞是否像廣義相對論預測的那樣扭曲空間和時間；
2。 拍攝圖像。超大質量黑洞的圖像將為我們提供線索，以判斷它是否像廣義相對論預測的那樣擁有事件視界而不是物理表面，并驗證黑洞是否只有質量和自旋兩個基本特征
3。 捕捉引力波。當兩個較小的黑洞環繞并合并時會發出引力波，通過對引力波信號的觀測，可以揭示這些黑洞是否真的是物質實體。如果合并后的黑洞以主頻和泛頻的方式振蕩，就能驗證它的基本屬性是否只有質量和自旋。
很快，天文學家開始探測到黑洞存在的跡象。他們發現了圍繞恒星運行的微小X射線源，比如天鵝座X-1（Cygnus X-1）。天體物理學家推斷，這些X射線來自于從恒星流出的氣體，當它落到某個神秘的物體上時，溫度會不斷升高。氣體溫度和軌道細節表明，這個X射線源的質量過于巨大，能量范圍又極其小，因此除了黑洞以外不可能是其他任何東西。類似的推理表明，遙遠的類星體——能輻射巨大能量的活動星系核——也是由其中心的超大質量黑洞提供能量的。
美國亞利桑那大學的天體物理學家費婭爾·奧澤爾指出，沒有人能確定這些黑洞實際上就如理論物理學家所描繪的那樣。“我們到目前為止所取得的發現，很少能確定事件視界的存在，”她說，“這是一個懸而未決的問題。”
現在，通過多種觀察黑洞的方法，科學家們可以開始檢驗他們對黑洞的理解，尋找可能徹底改變物理學的新發現。“盡管這種可能性非常小，但如果我們能發現任何偏離廣義相對論預測的結果，那將具有非常重要的意義，”卡羅爾說，“這是一個高風險、高回報的問題。”
對黑洞的觀測
科學家希望回答三個很具體的問題：我們觀測到的黑洞真的有事件視界嗎？它們真的像無毛定理說的那樣沒有其他特征嗎？以及，它們會像克爾度規預測的那樣扭曲時空嗎？
也許回答這些問題最簡單的工具就是安德烈婭·蓋茲所開發的工具。自1995年以來，她和同事們一直在使用位于夏威夷的10米口徑凱克望遠鏡來追蹤人馬座A*（Sgr A*）周圍的恒星。人馬座A*是位于銀河系中心的一個極其明亮且致密的無線電波源。1998年，他們觀測到這些恒星在高速運動，表明它們正圍繞一個質量約為太陽400萬倍的物體運行。由于人馬座A*在如此小的體積中容納了如此多的質量，按照廣義相對論的預測，它一定是一個超大質量黑洞。馬克斯·普朗克地外物理研究所的天體物理學家賴因哈德·根策爾也獨立追蹤了這些恒星，得出了同樣的結論，并與安德烈婭·蓋茲共同獲得了諾貝爾獎。
這其中，大部分信息來自于一顆被蓋茲稱為S02的恒星（根策爾記為“S2”），它每16年圍繞人馬座A*旋轉一周，軌道是很扁的橢圓。正如水星繞太陽的軌道進動一樣，S02的軌道也應該具有這一現象。蓋茲及其同事試圖從極其復雜的數據中找出這一進動效應。“我們已經非常接近，”蓋茲說，“我們發現了一個信號，但仍在說服自己它是真實的。”2020年4月，根策爾團隊取得了一個重大發現：多年觀察表明，S02恒星的軌道并沒有保持靜止，而是緩慢發生著有規律的旋進——即“史瓦西進動”（Schwarzschild precession）——呈現出猶如玫瑰花結的運行軌跡。
如果運氣好的話，蓋茲和根策爾等研究者有望找到其他的異常現象，以最終確定超大質量黑洞的本質。黑洞的自旋應該會改變其附近恒星軌道的進動，而具體的改變方式可以由羅伊·克爾的數學描述來預測。克利福德·威爾說：“如果有恒星比已經觀察到的（黑洞附近）恒星距離更近——比如近10倍——那就可以檢驗克爾度規是否完全正確。”
恒星追蹤技術可能永遠無法探測到非常接近人馬座A*事件視界的地方。據估計，人馬座A*的直徑約為4400萬公里，只比水星最接近太陽的距離（4600萬公里）略短。相比之下，事件視界望遠鏡（EHT）結合了來自世界各地11臺射電望遠鏡或陣列的數據，構成了一臺龐大的虛擬望遠鏡，能對另一個超大質量黑洞進行近距離觀察。這個位于室女A星系中的龐然大物擁有65億倍太陽質量。
兩年前，EHT團隊發布了一張著名的黑洞影像圖片，看起來就像一個燃燒的馬戲團圓環，但實際上，圖像中蘊含的內容要復雜得多。明亮的光環來自高溫氣體，其包圍的黑色部分并不是黑洞本身；相反，這是前方氣體發出的光被黑洞的引力扭曲（引力透鏡效應）所投射出來的“陰影”。不過，陰影的邊緣并不是事件視界的邊界，而是超出了大約50%的距離；在這個距離范圍內，時空被扭曲到足以讓穿過的光繞著黑洞旋轉，既沒有逃逸也沒有落入黑洞。
即便如此，這幅圖像還是保留了與這個超大質量黑洞中心有關的線索。例如，光環的光譜可以揭示該物體是具有物理表面還是事件視界。費婭爾·奧澤爾解釋稱，撞擊到物理表面的物質會比滑入黑洞的物質發出更明亮的光（到目前為止，研究人員還沒有發現光譜扭曲）。陰影的形狀也可以檢驗黑洞的經典圖像，即一個自旋黑洞的事件視界應該在赤道處凸出。然而，廣義相對論中的其他效應可能會抵消陰影的這一效應。“由于不同方向的擠壓被非常怪異地抵消了，陰影看起來仍然是圓形的，”奧澤爾說，“這就是為什么陰影的形狀可以直接驗證無毛定理的原因。”
一些研究者質疑EHT能否以足夠的精度獲得黑洞圖像，以進行這些驗證。塞繆爾·格拉拉是亞利桑那大學的理論物理學家，他懷疑EHT可能并沒有“看到”黑洞的陰影，而是從上往下俯瞰了圍繞著黑洞旋轉的圓盤狀氣體。如果是這樣的話，圖中央的黑點就僅僅是一場天體物理颶風的風眼。但奧澤爾表示，即使分辨率有限，EHT依然對驗證廣義相對論在黑洞周圍的未知概念領域做出了重大貢獻。
相比之下，引力波傳遞的信息直接來自黑洞本身。當黑洞以一半光速螺旋形合并在一起時，這些時空漣漪就會不受阻礙地穿過普通物質。目前，在LIGO和Virgo已經探測到的黑洞合并事件中，黑洞的質量從太陽的3倍到86倍不等。
弗蘭克·歐姆是一位引力理論學家，同時也是馬克斯·普朗克引力物理研究所的LIGO團隊成員。他表示，通過這些合并事件，我們可以以多種方式探測黑洞。假設這些都是經典黑洞，研究人員就可以根據廣義相對論計算出合并產生的引力波啁啾信號是如何加速，如何達到峰值，又是如何減弱的。如果這些大質量天體實際上是更大的物質實體，那么它們在靠近時就會相互扭曲，從而改變信號的峰值。到目前為止，研究人員沒有發現任何這樣的變化。
這種合并也產生了一個受擾動的黑洞，就像圖科斯基早期理論中所描述的那樣，而這就為驗證廣義相對論提供了另一個途徑。合并后的黑洞會出現短暫而強烈的振蕩，呈現為一個主頻和多個較短的泛頻。根據無毛定理，這些頻率及其持續時間只取決于最終黑洞的質量和自旋。弗蘭克·歐姆說：“當你單獨分析每一種模式時，它們都必須指向相同的黑洞質量和自旋，否則就會出現問題。”
2019年9月，圖科斯基及其同事在一次信號特別強烈的合并事件中，找出了主頻和一個泛頻。對此弗蘭克·歐姆表示，如果實驗者能夠提高探測器的靈敏度，他們或許能發現兩到三個泛頻，從而足夠對無毛定理進行驗證。
未來的黑洞研究
未來的探測儀器可能會使這類驗證變得更容易。安德烈婭·蓋茲表示，正在智利和夏威夷建造的30米口徑光學望遠鏡將具有比現有儀器高80倍的分辨率，可以更仔細地觀察人馬座A*附近的區域，并可能探測到距離該黑洞更近的恒星。類似地，EHT的研究人員也在他們的網絡中加入了更多的射電望遠鏡陣列，這將使他們能更精確地拍攝室女A星系中心黑洞的圖像。另一方面，他們也在嘗試觀測人馬座A*并成像。
與此同時，引力波研究者已經著手開發下一代更靈敏的探測器，包括激光干涉儀空間天線（LISA），它將由三顆相隔數百萬公里的衛星組成，在太空中構成一個等邊三角形。美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論物理學家尼古拉斯·尤尼斯表示，LISA探測器具有極高的探測靈敏度，將在21世紀30年代發射，它或許能在某個遙遠的星系中，發現一個普通的恒星質量黑洞螺旋式靠近一個超大質量黑洞，并最終與之合并的過程。
較小的黑洞可以作為某種精確的探測器，揭示一個更大黑洞周圍的時空扭曲是否完全如克爾度規的預測。尤尼斯指出，一個肯定的結果將鞏固廣義相對論對黑洞的預言，“但你必須等待LISA的進展”。
與此同時，黑洞在突然之間變得可以觀測的事實已經改變了引力物理學家的生活。廣義相對論和黑洞曾經只存在于思維實驗中，或者只能像圖科斯基那樣進行優雅而抽象的計算，現在卻突然成為基礎物理學中最熱門的領域。為了驗證廣義相對論，科學家們設計了需要投入高達數十億美元的實驗。“我真切感覺到了這種轉變，”弗蘭克·歐姆說，“這是一個非常小的圈子，但隨著引力波的探測，一切都改變了。”

(責任編輯：探索)