【2020諾貝爾物理學獎】3學者探究神秘黑洞共享殊榮

今年的諾貝爾物理獎,一半頒發給牛津大學的Roger Penrose,以表彰他對黑洞形成與廣義相對論上的貢獻。另外一半頒發給德國Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics的 Reinhard Genzel與UCLA的Andrea Ghez,以表彰他們發現在我們的銀河系中央有個超大質量的黑洞。

撰文/陳勁豪

黑洞是宇宙中最特別的物體,也是。當恆星的質量大到一定程度的時候,恆星會因為自己的重力而壓垮自己,進而形成黑洞。黑洞的重力極大,所有的事物一但進入黑洞的事象地平面後,便無法從黑洞中逃脫,即便是光也是如此。由於連光都無法逃脫,這就是黑洞之名的由來。

黑洞這個概念是由愛因斯坦的廣義相對論所得到的結果,但是愛因斯坦本身並不相信黑洞的存在。直到1965年,Penrose推導出黑洞的確可以在廣義相對論的框架中形成。

在Penrose的理論中,最關鍵的一個概念是用trapped surface來描述黑洞。在這個trapped surface中,無論一個球面是向外凸或是向內凹,所有經過這個球面的光都會指向這個球面的中心。透過這個概念,在他的計算中,他發現黑洞除了事象地平面之外,黑洞的中間有個奇異點。當物質落入事象地平面後,物質會往奇異點前進。更特別的是,在這個奇異點上,所有已知的物理定律都會消失。或者說,在這個奇異點上,所有時間與空間的概念都會消失,是個非常特別的存在。

而除了利用理論計算黑洞的特性之外,另一群物理學家則是在宇宙中尋找黑洞。由於黑洞本身不發光,因此非常難用直接觀測的方法來尋找黑洞。但是在1990年代,由於觀測儀器與技術的進步,科學家開始嘗試來尋找黑洞。Genzel與Ghez所領導的團隊用大型天文望遠鏡來觀測位於我們所在的銀河系中心的人馬座A*。我們的太陽系距離銀河系中心約26000光年遠。

他們發現靠近銀河系的中心處,有幾個恆星繞著銀河系的中心公轉。他們追蹤了約三十個最亮的恆星。這些恆星約分布在離銀河系中心約1光月的距離之間,可以說是相當小的一個區域中。透過精確的測量,他們可以計算出這些恆星的軌道與週期。例如,其中一個叫做S2或S-02的恆星,環繞銀河系中央一圈只要不到十六年,可以說是相當快速。他們發現,這些恆星所環繞的銀河系的中心,有個超大質量的物體,質量高達四百萬太陽質量。根據後續的測量結果,這個超大質量的物體就是個黑洞。相對於目前透過重力波所看到的黑洞多半在幾十個太陽質量上下,這個銀河系中央的黑洞的確是大得超乎意料。

為了進行這個研究,Genzel與Ghez需要用到地球上最大的望遠鏡,並發展出特殊的觀測技巧,以克服地球大氣層的干擾。更重要的,這個觀測需要長時間的累積,才能得到最終的結果,也就是發現銀河系中心的巨大黑洞。

今年的諾貝爾物理獎,表彰了物理學家對黑洞研究的貢獻。透過Penrose的計算,他告訴了我們黑洞的特殊的性質。而透過Genzel與Ghez的觀測結果,我們才知道原來我們所在的銀河系的中央就有一個超大型的黑洞。而Penrose、Genzel與Ghez除了拓展了人類對宇宙的認識之外,他們所開發出來的新的計算技巧或是新的觀測技術,都對後續的黑洞研究有著深遠的影響。

參考資料
2020 Nobel Prize Press Release

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