诺贝尔奖|TED演讲：诺贝尔奖得主谈寻找超大质量黑洞
2020年诺贝尔物理学奖揭晓！！！
获奖的三位物理学家分别是：英国物理学家Roger Penrose、德国天体物理学家Reinhard Genzel、美国天文学家Andrea Ghez ， 表彰他们在黑洞方面的研究贡献 。
其中 ， Andrea Ghez是历史上第四位获得诺贝尔物理学奖的女性！来看看她在2009年的TEDGlobal大会上的演讲——
寻找超大质量黑洞
如何观察那些你看不见的东西？
对于有兴趣寻找和研究黑洞的人来说 ， 这是个根本问题 。 因为黑洞的引力极为强大 ， 任何物体包括光线 ， 都不能逃脱 。 所以你不能直接看到它 。
我今天要谈的是一种特殊的黑洞 。 我想要知道在我们的银河中心 ， 是否有所谓的 “超大质量黑洞” 存在 。 这很有趣 ， 因为我们有机会可以证明这些奇特的物体是否真的存在 。 其次 ， 这给我们一个机会去了解这些特大质量黑洞是如何与它们的环境进行互动 ， 以及如何影响到它们所处星系的形成和演化 。
首先 ， 我们必须先理解黑洞是什么 ， 这样我们才能理解黑洞存在的证据 。
黑洞是什么？
从很多方面来说 ， 黑洞是个简单到不可思议的物体 ， 因为能够用来描述黑洞的特征只有三项：质量、角动量和电荷 。 而我将只讨论质量 。 从这个意义上来说 ， 它是非常简单的物体 。
但在另一方面 ， 它又是非常复杂的物体 ， 我们需要用很奇特的物理才能描述它 ， 且在某种意义上 ， 它打破了我们对宇宙的物理认知 。
为了让你了解黑洞存在的证据 ， 我要你们把它想像成一个物体 ， 一个质量为零的物体 。 我马上就会解释这一点 ， 虽然我要跟大家谈的是超大质量的物体 ， 但它没有大小 。 这有点棘手 。
但幸运的是 ， 有种大小限制是我们看得见的 ， 那就是我们所知的“史瓦西半径” 。 史瓦西是发现这个半径有多重要的人 。 这个半径是虚拟的 ， 不是真实的；黑洞没有大小 。 那么 ， 为什么这很重要呢？因为这告诉我们 ， 任何物体都能够变成黑洞 。 你、你的邻居、你的手机、观众席都可能变成黑洞 ， 只要你能把它压缩到史瓦西半径的大小 。
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那时候就会怎样？那时候引力就赢了 。 引力会胜过所有其他已知的力 。 因此 ， 物体被迫持续塌陷 ， 成为无限小的物体 。 接着 ， 就成了黑洞 。 所以 ， 如果我把地球 压缩到方糖的大小 ， 它就会变成黑洞 ， 因为方糖的大小就是地球的“史瓦西半径” 。
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这里的关键在于 ， 弄清楚史瓦西半径是多少 。 事实证明 ， 这很容易算出来 。 史瓦西半径只和物体的质量有关 。 较大的物体 ， 史瓦西半径也较大 。 较小的物体 ， 史瓦西半径也较小 。 如果我把太阳压缩到牛津大学的尺寸 ， 太阳就会变成黑洞 。
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现在我们知道史瓦西半径是什么了 。 它其实是个很有用的概念 ， 因为它不仅能告诉我们黑洞何时会形成 ， 也给了我们证明黑洞存在的关键元素 。 对于宣称是黑洞的物体 ， 我只需要知道两样东西：它的质量 ， 还有它的史瓦西半径 。 因为史瓦西半径是由质量来决定 ， 其实我只需要知道一样即可 。
因此 ， 我若要说服你有个黑洞存在 ， 我就得证明有某个物体被局限在它的史瓦西半径中 。 在座各位大可以用怀疑的态度来检验 。
我要谈的不是普通的黑洞 ， 而是超大质量黑洞 。
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我想先简单说一下 ， 普通黑洞是什么 。 这么说好像黑洞可以很“普通”一样 。 一般认为 ， 大质量的恒星在死亡后的状态就是“普通黑洞” 。 如果有一个恒星在生命之初的质量就比太阳大很多 ， 它将以爆炸结束生命 ， 并留下这些美丽的超级新星残骸 。 在这些超级新星残骸中 ， 会有一个小型黑洞 ， 质量大约是太阳的三倍 。 从天文学的角度来看 ， 这个黑洞算非常小 。
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现在 ， 我想要谈的是超大质量黑洞 。 一般认为超大质量黑洞位于星系的中心 。 这张用哈伯太空望远镜拍摄的美丽照片 ， 让我们看到各种形状、大小的星系 。 有大的、有小的 ， 几乎图片上的每一个物体都是一个星系 。
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为了让你对规模有个概念：左上角有个漂亮的螺旋 ， 那是一个有千亿个天体的星系 。 而我们在一个典型星系里看到的所有光线 ， 都来自恒星 。 我们能看见星系是因为恒星的光 。
有一些比较奇特的星系 ， 我喜欢称它们为星系里的“女主角” ， 因为它们特别爱现 。 我们称之为活跃星系核 。 会这么称呼是因为它们的核 ， 或者说是它们的中心 ， 非常活跃 。
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其实大部分星光是从中心发出的 。 但 ， 我们看到的光 ， 其实无法用星光来解释 。 这些光的能量更强 。 事实上 ， 在少数例子中 ， 就像这例看到的这些 ， 从中心还会有喷出物 。 如果你仅仅认为星系是由恒星组成的 ， 那这股能量的来源就很难解释了 。
所以有人认为 ， 也许有超大质量黑洞在那里 ， 物质会被吸引过去 。 你无法看见黑洞本身 ， 但你能把黑洞的引力转换成为可见光 。 因此 ， 有一种想法是 ， 也许超大质量黑洞存在于星系的中心 。 但这仅是一种间接论据 。
尽管如此 ， 这却带出了一个想法：也许不是只有这些“女主角”才有超大质量黑洞 ， 而是所有的星系在中心处 ， 都有这种超大质量黑洞 。 如果真是这样 。。。 这个例子是正常的星系 ， 我们看见的光都是星光 。 若有个超大质量黑洞存在 ， 我们就得假设照片里是个正在“节食”的黑洞 ， 因为那样才能压抑我们在活跃星系核看到的能量现象 。
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如果我们要去找这些躲在星系中心的黑洞 ， 最好的地方就是我们所在的星系——银河系 。 这是一张银河系中心的广角照片 ， 我们看到的是一列恒星 。 因为我们所在的星系是一个扁平的 ， 盘状结构的星系 。 而且我们居住在中央 ， 因此当我们看向中心 ， 我们看到的这条线就是这个星系的“盘面” 。
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研究我们自己的星系的优势是 ， 在我们接触过的星系中心的实体中 ， 这是距离我们最近的星系 。 我们的邻居星系距离我们则足有100倍的距离 。 因此 ， 对我们自身所在星系的研究可以做到比其他任何一个星体都更加透彻 。 你们等下就会看到 ， 这个实验的关键在于看见细节的能力 。
所以天文学家如何证明在一个相对小的空间内存在很大的质量呢？这就是今天我要展示给各位看的 。 我们用的工具 ， 是观察恒星绕行黑洞的方式 。
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恒星绕行黑洞的方式 ， 和行星绕行太阳的方式一样 。 是引力让它们绕行 。 如果没有大质量物体 ， 它们就会四散飞走 ， 或至少运动速度慢很多 ， 因为决定它们如何运动的 ， 是轨道内有多少质量 。
我的工作就是去证明小体积里有大质量 。 因此 ， 如果可以计算出绕行速度 ， 就能知道质量 。 如果我知道轨道的大小 ， 就能知道半径 。 所以我会想研究的恒星 ， 越靠近银河的中心越理想 。 只有这样 ， 我才能在尽可能小的空间内证实物质的存在 。 也就是说 ， 我需要观测大量的细节数据 ， 这就是我们为何采用世界上最大的望远镜来做这个实验的原因 。
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【诺贝尔奖|TED演讲：诺贝尔奖得主谈寻找超大质量黑洞】这是keck天文台 ， 它拥有2台望远镜 ， 搭配10米的镜子 ， 差不多是一个网球场的直径 。 这一点很赞 。 因为大型望远镜总是承诺 ， 望远镜越大 ， 我们能观察到越小的细节 。 然而现实是 ， 我们发现所有望远镜 ， 多多少少都难以实现这承诺 。 原因是大气 。 地球大气层对我们人类至关重要 ， 它让我们能在地球上生存 。 但对于想要穿过大气去看天体的天文学家而言 ， 就成了障碍 。
为了让大家更好地理解 ， 我用一个比喻：就像看一块小溪底的鹅卵石一样 ， 溪水不断流动 ， 使得观察底部的鹅卵石变得很困难 。 同样地 ， 因为大气层不停地流动 我们很难观测到清晰的天体 。
因此我花费了职业生涯中很长的时间来研究如何克服这一困难 ， 研究如何针对大气做校调 ， 以看得更清楚 。 结果是 ， 我们有了二十倍的改善 。 我想大家都同意 ，如果你有办法将生活改善二十倍 ， 效果将会是显而易见的 ， 比如你的薪水、你的孩子……
这个动画是我们应用“自适应光学”（Adaptive Optics）的例子 。 这个动画展现的从是不用这项技术会看到的景象 ， 转换到用这项技术后 ， 清楚看见星系中心 ， 即我们认为的黑洞所在 。
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所以 ， 没有这项技术 ， 你就看不见那些星体 。 有了这项技术 ， 突然就能看见了 。 这项技术的原理是将一面镜子放入望远镜光学系统中 ， 抵消大气对视野产生的影响 。 就像是你的望远镜配戴了一副很炫的眼镜 。
现在 ， 接下的几幅幻灯片中 ， 我们将集中观测中间那个小方块区域里的星体 ， 看它们是如何运动的 。 这个实验过程中 ， 星体都运行了相当惊人的距离 ， 这个实验进行了十五年 ， 我们已经看到恒星绕了一整圈 。
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大部分的天文学家都有一个最爱的恒星 ， 今天我最爱的是标记为 SO-2 的那一个 。 世界上我最喜欢的恒星绝对是它！
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因为它只花了十五年就绕了一圈 。 让各位更清楚十五年有多短——太阳绕着银河的中心转一圈要两亿年；以前我们所知最靠近银河中心的恆星也要花五百年 。 而这个恒星可以在人类一生内就绕一圈回来 。 想想就觉得意味深长 。
而这也正是实验的关键 。
这个轨道让我知道 ， 在极小的半径内有多少质量 。 接着 ， 从这张照片可以看到 ， 在这个实验之前 ， 我们能将银河中心的质量缩小在多大的范围内 。
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我们以前知道 ， 在那个圆圈中间有太阳四百万倍的质量 ， 你可以看到 ， 圆圈中还有许多其他东西 。 可以看到很多恒星 。 所以 ， 其实还有很多其他可能 ， 不见得在银河中心一定有一个超大质量黑洞 ，因为里面可能有很多别的 。
但在这个实验中 ， 我们能把同样的质量局限在更小更小的体积中 ， 小了足足一万倍 。 因此 ， 我们能证明那里有一个超大质量黑洞 。 让你更清楚那是多小——那就是我们太阳系的大小 。 我们是把四百万倍的太阳质量塞到那个小体积中 。
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我说过 ， 我的工作是要将它缩小到史瓦西半径 。 事实上 ， 我还没做到 。 但对于这种质量的集中现象 ， 现今已经没有其他可能的解释 。 它是我们至今的最佳证据 ， 不仅能证明有超大质量黑洞存在于我们自己银河系的中心 ， 还能证明在宇宙任何星系都有 。 所以接下来呢？我认为以现今的科技 ， 已无法再做得更好 ， 所以我们就谈别的吧 。
我想要用几个例子 ， 简短告诉各位 ， 现今我们可以在银河中心做什么有趣的事 。 因为我们已经知道 ， 或至少我们相信 ， 那里有个超大质量黑洞 。 这个实验很有趣的阶段是：当我们测试一些想法 ， 关于银河中心有个超大质量黑洞会有什么后果 ， 我们发现几乎每个想法 ， 都和我们实际所见到的不一致 。 这就是有趣之处 。
让我举两个例子 。 你可以问：“你预期老恒星会怎样？在银河中心附近已经绕行很久的恒星 ， 它们有足够长的时间和黑洞发生交互作用 。 ” 你所期望看到的是 ， 那些古老的星体应该环绕在黑洞附近逐渐接近 ， 你将可以看到黑洞附近聚集很多星体 。
而对于年轻的星体 ， 它们则不应该出现在那个地方 。 黑洞不会是恒星摇篮的好邻居 ， 一个星体的形成需要大量的气体与尘埃的崩溃与聚合 ， 它是一个非常脆弱的个体 ， 黑洞在这起到什么作用呢？它可以将气云剥离 ， 它对一面起到更大的拉力 ， 从而把气云剥离 。 所以我们预测星体的形成不应该在那种环境下发生 ， 所以你不应看到年轻的星体 。
那么我们到底看到了什么？使用其它一些观察设施 ， 我们可以辨视出哪些恒星老、哪些年轻 。 老恒星是红色的 ， 年轻恒星是蓝色的 。 我们还不清楚黄色的是什么 。 所以 ， 你应该也已经感到很吃惊了 。 年长的星体很少 ， 却有着很多的年轻星体 ， 这与我们的预测恰恰相反 。
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这就是有趣的部分 。 我们正在努力想通这一点 ， 这个谜题在于要如何解决这种矛盾 。 事实上 ， 我的研究生此时此刻就在夏威夷的望远镜前进行观察 ， 希望能我们可以很快的进入下一个阶段 ， 那时我们将重新阐释这个问题——也为什么有这么多的年轻星体 ， 而老年星体则如此稀少？为了进一步的研究 ， 我们必须要观测运行轨道 ， 那些更远星体的运行轨道 。 为了做到一点我们将会需要比现今更精密的技术 。
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因为 ， 虽说我们针对地球大气做了修正 ， 其实我们只修正了一半的错误 。 我们的做法是将激光射入大气中 ， 而我认为我们能做的是再多发射一些 ， 把剩下的错误修正 ， 这是我们接下来几年希望做到的目标 。 更长远来看 ， 我们希望打造更大的望远镜 ， 因为 ， 别忘了 ， 在天文研究里可是越大越好～
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我们想打造三十公尺的望远镜 。 有了它 ， 我们应该能看见更靠近银河中心的恒星 。 我们希望能测试一些爱因斯坦的广义相对论理论 ， 有关星系是如何形成的宇宙学的一些观点 。 所以 ， 我们认为这项实验的未来很让人兴奋 。
作为结论 ， 我将展示一个3D动画呈现这些轨道是如何移动的 。 我希望 ， 至少我能说服大家 ， 在银河中心的确有一个超大质量黑洞 。 那就表示我们的宇宙中真的有这种黑洞 ， 而我们必须要提出论据 ， 解释在我们的物理世界中怎么会有这些物体存在 。
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第二 ， 我们能够去研究超大质量黑洞的交互作用方式 ， 也许还可以了解它们在星系形成当中所扮演的角色 ， 及它们的运作方式 。
最后 ， 也很重要的 ， 这一切之所以能够实现 ， 是因为科技前线的重大进展 。我们认为这个领域的进展非常快 ， 且对于未来会有很多贡献 。 非常谢谢大家 。
翻译：Haoxiongyi Mei, Yuanyuan Liu
校对：Daisy Yang, Zhu Jie
编辑：朱宜
讲者介绍
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Andrea Ghez
天文学家
加州大学洛杉矶分校物理系教授
2020年诺贝尔物理学奖得主
2008年麦克阿瑟天才奖
美国国家科学院院士
本文转载自TED官网
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