揭开宇宙中最黑暗的秘密

来源：原理

苹果落地，GPS的运作，太阳绕银河系中心旋转，宇宙的膨胀……

所有这些我们熟悉的现象都离不开一个理论，那就是广义相对论。

1915年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表了全新的引力理论——广义相对论，颠覆了我们先前对时间和空间的理解。这个理论告诉我们，引力是时空弯曲的结果。广义相对论的强大不仅在于它解决了当时牛顿的引力理论无法解释的问题，也在于它强大的预言能力。在所有的预言中，其中有一个甚至连爱因斯坦都认为可能不存在，那就是黑洞。

就在广义相对论发表不久后，德国天体物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了广义相对论核心方程的精确解。史瓦西的解也预示着宇宙中或许存在着最神秘的天体——黑洞。

黑洞是由奇点的存在而定义的，它是空间中的一个区域，被“事件视界”包围着。事件视界是一个有去无回的边界，任何东西（包括光）一旦进入再也无法逃脱。

当一颗大质量恒星在自身的引力下坍缩时，就会形成黑洞。在事件视界上，时间取代了空间，并且只指向前方。时间的流动将一切都带向位于黑洞内最深处的奇点，那一点有着无穷大的密度，时间在那里终止了。| 图片来源：nobelprize.org

但黑洞真的可以形成吗？

在爱因斯坦去世的十年后，英国理论学家彭罗斯（Roger Penrose）证明了黑洞可以形成，并且描述了它们的性质。

上个世纪60年代，黑洞是否能够在现实条件下形成一直困扰着彭罗斯。在后来的回忆中，彭罗斯表示答案出现在1964年的秋天，当时他正和他的同事在伦敦散步。当他们停止谈话，并穿过一条小街时，一个想法在他的脑海中一闪而过。那天下午的晚些时候，他在记忆中搜寻他的想法。一个被他称为“俘获面”的想法，是他用来描述黑洞的关键概念。

一个俘获面会迫使所有光线都指向一个中心，无论表面是外向弯曲还是内向弯曲。俘获面成为了彭罗斯证明奇点定理的核心概念。

这张图是基于彭罗斯在1965年的论文，它展示了物质坍缩成黑洞的过程。在一个被俘获的表面上，所有的光锥都向内倾斜，奇点的形成不可避免。| 图片来源：nobelprize.org

彭罗斯的发现表明，黑洞是广义相对论的直接结果，但在奇点拥有的无限强引力下，广义相对论却不再适用。理论学家目前正试图创建一个全新的量子引力理论，这个理论将物理学的两大支柱——相对论和量子力学——结合起来。

尽管无法直接看到黑洞，但是它强大的引力可以影响周围恒星的运动。

在所有的星系中心，都隐藏着一个超大质量黑洞，包括银河系。上个世纪90年代，根策尔（Reinhard Genzel）和盖兹（Andrea Ghez）各自领导了一个研究小组，开始追踪绕着银河系中心的恒星的运动。

银河系是我们所在的星系。从“上”方看，它的形状就像一个直径约10万光年的扁平圆盘。它的旋臂是由气体、尘埃和几千亿颗恒星组成的，其中一颗就便是我们的太阳。| 图片来源：nobelprize.org

但是，要观测银河系中心非常不容易，因为有大量的星际气体和尘埃构成的巨大的云团会阻碍我们的视线。红外望远镜和射电技术的发展使看到银河系中心的恒星成为可能。

利用世界上最大的望远镜，根策尔和盖兹发展出了一些可以穿透云团而看到银河系中心的方法。在这个过程中，自适应光学的出现对改进观测来说是至关重要的，这种方法通过在望远镜上安装一个薄薄的额外的镜面来抵消大气湍流，从而校正畸变的图像。近30年来，根策尔和盖兹一直在追随位于遥远的银河系中心的恒星群。他们突破了技术的局限，不断地发展并改进这项观测技术，通过使用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学元件，使图像分辨率提高了数以千倍以上，从而使得他们可以更精确地确定恒星的位置。