我们把银河系中心的黑洞作为一个实验室

到了现在,我们终于确定在银河系的中心有一个超大质量黑洞。下一步就是把它作为一个实验室,在它周围具有超强引力场的区域对广义相对论做进一步的验证

德国天体物理学家赖因哈德・根策尔(Reinhard Genzel)1952 年出生于法兰克福。在波恩大学获得博士学位之后,根策尔曾经在美国和德国的多家学术机构进行研究工作,目前在美国加州伯克利大学和德国马克思・普朗克研究所任职。从 20 世纪 90 年代开始,根策尔就利用红外线对银河系的中心区域进行观测,最终通过坚实的观测证据证明了在银河系的中心区域存在着一个大约相当于 400 万个太阳质量的超大质量黑洞「人马座 A*」(Sagittarius A*)。

因为「发现了我们星系中心的一个超大质量的致密物体」,根策尔与美国科学家安德烈娅・盖兹(Andrea M.Ghez)、英国数学家和物理学家罗杰・彭罗斯(Roger Penrose)共同获得了 2020 年诺贝尔物理学奖。关于对银河系中心黑洞的观测及银河系的未来等问题,根策尔教授通过电子邮件接受了本刊的采访。

在你的诺贝尔讲座中,你把人类对于银河系中心区域的观测描述为一个「历时 40 年的旅程」。人类为什么对于银河系的中心区域如此痴迷?这个旅程仍然在继续吗?

很长时间以来,人们都认为爱因斯坦的广义相对论所预言的黑洞只是一种理论上的存在而已。但是到了上世纪 60 年代,类星体(quasars)被证明是一种银河系外的天体,而唯一能够解释为何这种距离我们如此遥远的天体看起来又是如此明亮的理论,就是在它们的内部都存在一个高质量的黑洞。

对于人类来说,这些类星体距离我们太过遥远,无法研究它们的细节,进而证实我们的假设。人们开始怀疑,在星系的中心,尤其是银河系的中心,有没有可能存在着这样一个物体?而这正是我们在上世纪 80 年代准备证明的一件事情。到了现在,我们终于确定在银河系的中心有一个超大质量黑洞。下一步就是把它作为一个实验室,在它周围具有超强引力场的区域对广义相对论做进一步的验证。

与你分享 2020 年诺贝尔物理学奖的安德烈娅・盖兹同样带领一个研究团队,利用凯克天文台(Keck Observatory)的近红外线相机对同一个目标进行观测。当你们对银河系的中心区域做出决定性的观测时,还有没有其他研究团队也在进行这项研究?你如何评价这种科学研究中的竞争和合作?

对银河系中心区域的恒星进行观测是非常困难的:星际尘埃会阻挡我们的视线,而这些恒星(看起来)又是这么小,因此你需要极高的分辨率,只有最好的天文观测设备才能满足这些要求。我们使用的是位于智利的欧洲南方天文台(European Southern Observatory)的甚大望远镜(Very Large Telescope);而美国的研究组使用的则是位于夏威夷的凯克望远镜。两个研究组取得了相同的观测结果,这对于科学界来说就显得更加值得信赖了。这也说明科学是如何进步的:你的研究结果需要其他人的独立确认才会被接受。

我们星系的未来又将如何?它将会分崩离析,或最终一切物质都将坠入星系中心的黑洞吗?

我们的星系基本上是非常稳定的。像太阳这样的恒星都有固定的轨道围绕着银河系的中心运转。所以,从理论上来说,银河系可以永远存在——但实际上,在大约 40 亿年之后,银河系将会与临近的仙女座星系(Andromeda Galaxy)相撞。

相比于整个银河系的质量来说,银河系中心的超大质量黑洞「人马座 A*」的质量并不算太大。那么为什么看上去整个银河系都在围绕着这个黑洞运转?黑洞「人马座 A*」仍然在继续变大吗?

准确地说,银河系是在围绕着它的中心旋转,而这恰好是黑洞「人马座 A*」所在的位置。在银河系的中心区域,已经没有太多的物质可以落入黑洞了。几年前,我们观测到在黑洞的周围有一些气体受到了黑洞的扰动,像这样的物质仍然可能落入黑洞中——但这只是些质量相对不大的物质。所以说,黑洞「人马座 A*」不会再有大幅的增长了。

你有没有利用太空望远镜,例如詹姆斯・韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)对银河系中心区域进行观测的计划?我们能够利用怎样的方法以穿透银河系中心区域的灰尘,进行更高精度的观测?

我们需要大望远镜来观测银河系的中心区域,所以我们应该会继续使用地面上的太空望远镜进行观测。当然,我们的研究组正在对一些其他物体进行观测,例如一些更加遥远的星系以及一些正在形成恒星的区域。所以,2009 年我们加入了赫歇尔项目(Herschel Space Observatory,欧洲空间局发射的一个太空望远镜),把先进的光电导阵列照相机和分光计(Photoconductor Array Camera and Spectrometer)安装在了这个太空红外望远镜上,而且取得了很多的成果。你总是需要从自己研究的问题出发,然后才能决定什么才是解决这个问题的最佳方法。

也有很多人讨论,可以在月球的背面建造一个太空观测基地。如果真的建成这样一个基地,会不会对人类观测银河系的中心区域有所帮助?

简单地回答就是:不会。在月球背面建造一个巨大的太空望远镜,费用会过于昂贵。另外,在月球背面进行太空观测的条件,比如说没有大气层,也没有灯光的干扰,实际上并不比我们现在在智利的沙漠地区进行太空观测的条件好很多。

你在银河系的中心区域观测到了很多以极高速度运行的天体。有没有从中发现过任何迹象,在这种极端条件下出现了超越广义相对论的新物理学?

直到现在,我们所观测到的一切现象都符合广义相对论的描述。实际上,现在我们是把银河系中心的黑洞作为一个实验室,对广义相对论进行验证。而且我们也非常好奇,能否观测到一些极致的现象,这些现象只有通过新物理学理论才能够解释。

你计划对临近一些活跃星系的中心区域进行观测,相比于银河系中心的黑洞「人马座 A*」,那些天体的距离会更远数百倍。相比于对银河系的中心区域进行观测,对临近星系进行观测的最大困难和不同在哪里?

对于这两种观测,我们都需要极高的分辨率。我们利用甚大望远镜阵列的「GRAVITY」设备,可以分辨出银河系中心的恒星;而在观测其他星系的中心区域时,也可以观测到气体的流动情况,特别是分辨出高速运动的气体所构成的活跃星系核的宽线区(Broad Line Region)。在观测一些更大尺度的目标时,我们可以使用其他观测设备,并且将获得的观测结果用于参考和对照。

人类有没有可能观测到在宇宙诞生最初 10 亿年内出现的原初黑洞(Primordial Blackholes)?

再过几年时间,一个直径 40 米的望远镜——欧洲极大望远镜(Extremely Large Telescope)将开始进行观测。我们正在建造它的第一个光学部件「MICADO」。我们希望通过这个望远镜观测到宇宙中最早形成的星系,观察黑洞是如何在其中形成和成长的,以及其他一些有趣的天体。

是否在每个星系的中心区域都存在一个超大质量的黑洞?我们是否只能够在星系的中心区域观测到超大质量黑洞?有没有可能我们在宇宙的其他区域也发现类似的黑洞?

是的,我们相信在每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。大多数的星系演化模型都预测了星系和其中的黑洞共同成长——星系越大,其中心的黑洞也就越大。所以我们并不认为这样的超大质量黑洞可以独自成长。

你是否认为对于星系核心区域的观测有助于人类理解暗物质和暗能量的本质?

并不会。暗物质和暗能量是在更大尺度上的问题。在星系的中心区域,我们只能观测到非常集中的普通物质。

现在你对于银河系最大的困惑是什么?

现在我们已经确定,在银河系的中心区域确实存在一个超大质量黑洞,但是我们还没有完全探明它的各种性质:它是否具有自旋?「黑洞无毛定理」(No Hair Theorem,美国物理学家约翰・惠勒认为,黑洞应该只有质量、角动量以及电荷三个不能转变为电磁辐射的守恒量,其他的信息则全都丧失了,几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质,黑洞也不存在其他的形态,因此称为「黑洞无毛定理」)是否依然成立?我还可以列出更多的问题……如果我们把银河系的中心当作一个实验室来研究广义相对论,我们也可以对量子效应有更深刻的理解——这个领域还存在着很多开放性的问题

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