霍金應(yīng)該是今天諾獎得主嗎？
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2020年諾貝爾物理學(xué)獎剛剛揭曉。有學(xué)者認(rèn)為，如果霍金還健在的話，他比今年的諾獎得主更適合獲獎。
在討論這個問題之前，首先讓我們了解一下今年的諾貝爾物理學(xué)獎花落誰家？與2019年的諾貝爾物理獎一樣，同樣給了三位天體物理學(xué)家，而且他們都是研究黑洞的。
來自英國牛津大學(xué)羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）、加州大學(xué)伯克利分校、馬普地外物理研究所雷哈德·甘澤爾（Reinhard Genzel）以及加州大學(xué)洛杉磯分校安德里亞·格茲（Andrea Ghez）獲獎。其中彭羅斯因“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對論的有力預(yù)測”享有一半的獎金，甘澤爾和格茲則因“在銀河系的中心發(fā)現(xiàn)了一個超大質(zhì)量的致密天體”分享另一半獎金。
此前，彭羅斯與已去世的著名理論物理學(xué)家霍金合作過，并與霍金一起證明了宇宙奇點(diǎn)定律，二人還因奇點(diǎn)理論共同獲得了沃爾夫物理學(xué)獎。
北京大學(xué)天文系教授、博士生導(dǎo)師吳學(xué)兵表示：“彭羅斯是英國其實很有名的一個天地物理學(xué)家，他實際上算是霍金的師兄，他比霍金要大11歲，所以他跟霍金一起做了很多關(guān)于黑洞的理論的研究，包括他是用愛因斯坦的廣義相對論來預(yù)言一這黑洞是大質(zhì)量物體塌縮形成的一個奇點(diǎn)，所以這個奇點(diǎn)理論他跟霍金他們研究出來的，所以他得獎的有一個理由是利用廣義相對論來預(yù)言出了黑洞這種天體，驗證了廣義相對論是正確的。這是他一個很大的貢獻(xiàn)。”
相比彭羅斯，霍金是否更應(yīng)該獲得諾獎？吳學(xué)兵對這一觀點(diǎn)并不完全認(rèn)同，他表示，“彭羅斯的研究雖然跟霍金一樣都是做的偏理論的黑洞的研究，但是他總是希望研究跟天體物理的觀測密切地結(jié)合起來，所以從這方面說，他的研究更務(wù)實一點(diǎn)，霍金核心的研究可能更加理論化一點(diǎn)，這一點(diǎn)可能有點(diǎn)不同。”
至于為何諾貝爾委員今年會垂青黑洞領(lǐng)域？吳學(xué)兵推測可能與2019年黑洞照片公布有一定關(guān)系，因為照片驗證了廣義相對論預(yù)言中黑洞和事件視界的存在。而根據(jù)廣義相對論推出黑洞的存在，彭羅斯起了很大作用。
有關(guān)黑洞的詳細(xì)介紹，2018年國家天文臺研究員茍利軍及澎湃新聞記者徐明徽在“知識分子”天問專欄就黑洞的起源、黑洞的質(zhì)量等話題寫過一篇文章，在此重發(fā)舊文，讓我們更好地了解黑洞的奧秘。
黑洞，作為一個連光線都難以逃脫的天體，是一個極其神秘的宇宙角色。在很多人的眼中，它就是一個無所不吃的怪獸，甚至可以將光線吞滅，讓時間停止。
一個世紀(jì)以來，天文學(xué)家都在試圖拼好黑洞謎題的拼圖。從提出黑洞的概念雛形，到找出第一個黑洞候選體，再到X射線望遠(yuǎn)鏡直接觀測到黑洞，直至2015年LIGO觀測到62個太陽質(zhì)量黑洞發(fā)射出的引力波[1]，天文學(xué)的新紀(jì)元已經(jīng)開啟。
更大質(zhì)量范圍的黑洞存在嗎？黑洞的起源是什么？宇宙中到底有多少黑洞？伴隨著觀測手段的進(jìn)步，天文學(xué)家正在試圖揭開黑洞謎題的面紗。本文帶你一塊一塊拼湊出黑洞質(zhì)量的拼圖。
拼圖一
黑洞概念雛形的產(chǎn)生
雙黑洞合并的想象圖，圖片來源：LIGO/Caltech。
早在十八世紀(jì)，數(shù)學(xué)家拉普拉斯等人基于經(jīng)典的牛頓萬有引力，提出了“暗星”的存在，這可以算是黑洞概念的雛形。不過對于黑洞的近代概念，還是來源于愛因斯坦的廣義相對論。
1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，給出了后世皆知的愛因斯坦場方程。同年，正處于同沙皇俄國作戰(zhàn)前線的德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西，在作戰(zhàn)間隙完成了兩篇相對論和一篇量子力學(xué)的論文[2]，其中關(guān)于相對論的文章得到了非旋轉(zhuǎn)黑洞的精確理論解（沒有做額外假設(shè)時方程的理論解），這是第一個有關(guān)于愛因斯坦場方程的精確解，同時在文章中，史瓦西給出了黑洞的半徑大小。
然而遺憾的是，史瓦西身患嚴(yán)重的天皰瘡皮膚病無法醫(yī)治，待論文發(fā)表時他已在俄國前線戰(zhàn)壕中過世。由于史瓦西在古典黑洞上的先鋒工作，黑洞的兩個性質(zhì)以他的名字命名—史瓦西度規(guī)與史瓦西半徑。
在史瓦西得到黑洞的第一個解之后，許多物理學(xué)家也開始投身到這種神奇而有趣的天體研究中，把它當(dāng)做測試自己聰明才智的檢驗石。在上個世紀(jì)三十年代，美國的“原子彈之父”奧本海默研究發(fā)現(xiàn)：恒星在一定環(huán)境之下可以坍縮形成黑洞。
然而愛因斯坦卻不太認(rèn)同這種可能性，他根據(jù)直覺判斷，黑洞這種天體并不存在，并且寫了論文來反駁奧本海默。遺憾的是，此番爭論并未持續(xù)多久：一方面，當(dāng)時并沒有黑洞存在的證據(jù)；另一方面，隨著第二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)火燃起，物理學(xué)家的興趣更多地轉(zhuǎn)向了核物理，關(guān)于黑洞的討論逐漸淡出了人們視野。
對黑洞研究有過重要貢獻(xiàn)的部分科學(xué)家。
拼圖二
第一個黑洞候選體
然而，天文學(xué)并沒有被冷落太久。上世紀(jì)六十年代，天文學(xué)迎來了發(fā)展的黃金時代，那一時期的“四大發(fā)現(xiàn)”（星際有機(jī)分子、宇宙背景輻射、脈沖星、類星體）對于人類認(rèn)識宇宙產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響。
黑洞的研究也再次回到人們的視野中。1964年，美國科學(xué)家利用探空火箭在天鵝座區(qū)域偶然發(fā)現(xiàn)了一個非常明亮的X射線天體，這是人類于此區(qū)域發(fā)現(xiàn)的第一個X射線天體，但卻不知其本質(zhì)為何。于是天文學(xué)家將此天體命名為天鵝座X-1（Cygnus X-1），這便是人們今天所熟知的、人類歷史上第一個黑洞候選體[3]。
天文學(xué)告訴我們，宇宙中所有實際可以看到的天體都是轉(zhuǎn)動（自轉(zhuǎn)）的，所以坍縮形成的黑洞在角動量守恒的條件之下，自然也是有轉(zhuǎn)動的。就在天鵝座X-1被發(fā)現(xiàn)的前一年（1963年），旋轉(zhuǎn)黑洞精確解這一難題也終于被愛爾蘭的數(shù)學(xué)家羅伊·科爾（Roy Kerr）所攻破。
隨著黑洞理論的不斷突破和黑洞存在的證據(jù)不斷向科學(xué)家們招手，新一輪研究黑洞的熱潮再次被激起，迎來了“第二春”。
在這波浪潮下，因推斷“宇宙起源于一個奇點(diǎn)”而聞名的霍金也開始將研究興趣從宇宙學(xué)轉(zhuǎn)向黑洞?；艚鹪谏鲜兰o(jì)七十年代首先提出了黑洞的熱力學(xué)定律，之后又發(fā)現(xiàn)了大眾熟知的“霍金輻射”[4]。除霍金之外，還有諸多物理學(xué)家，包括約翰·惠勒（John Wheeler）、基普·索恩（Kip Throne）、沃納·伊斯雷爾（Werner Isarel）、羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）等人也投身于此，貢獻(xiàn)良多。
正是因為這些人的努力，黑洞理論研究在隨后的一二十年當(dāng)中得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，如今被大眾所熟知的眾多有關(guān)黑洞的基本知識就是在這一時間段產(chǎn)生的，例如，黑洞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、黑洞轉(zhuǎn)動和奇點(diǎn)的很多認(rèn)識等等。
天鵝座X-1黑洞系統(tǒng)的想象圖，圖片來源：NASA。
拼圖三
缺失的黑洞質(zhì)量
在第一個黑洞候選體被探測到之后，太空X射線望遠(yuǎn)鏡技術(shù)日趨成熟，更多的黑洞系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)。為了給深入研究做準(zhǔn)備，科學(xué)家們對所發(fā)現(xiàn)的黑洞進(jìn)行了一些最為簡單的分類，首先以質(zhì)量大小分布來區(qū)分，可以分為兩類：一種系恒星量級的黑洞，質(zhì)量大約在十多個太陽質(zhì)量，天鵝座X-1就是一個典型代表。
另一種系超大質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量至少是幾十萬、上百萬太陽質(zhì)量，有些可以高達(dá)幾十億、甚至上百億太陽質(zhì)量。我們銀河系中心的Sgr A*就是一個超大質(zhì)量黑洞。而上世紀(jì)六十年代所發(fā)現(xiàn)的類星體后來也被證明是超大質(zhì)量黑洞的吸積過程所產(chǎn)生的。
與此同時，理論研究認(rèn)為：不同質(zhì)量的黑洞的數(shù)量應(yīng)該是連續(xù)分布的，就如同此起彼伏的山丘，盡管各個質(zhì)量上的黑洞數(shù)目會有所不同，但不同質(zhì)量的黑洞應(yīng)該是存在的。
雖然被觀測到的黑洞越來越多，科學(xué)家們卻逐漸發(fā)現(xiàn)理論的預(yù)測與實際的觀測之間存在著很大的差異，許多理論預(yù)想的黑洞并沒有在實際觀測中得到證實。比如，原本科學(xué)家們認(rèn)為恒星量級的黑洞質(zhì)量可以達(dá)到100個太陽質(zhì)量，然而目前X射線觀測到的黑洞質(zhì)量最高也就16個太陽質(zhì)量，沒有一個高于20個太陽質(zhì)量的黑洞。大質(zhì)量的恒星級黑洞在哪里？
再比如，在恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間，會很自然地存在著中等質(zhì)量的黑洞，卻始終芳蹤難覓。天文學(xué)家們?yōu)榇丝鄬ざ嗄?，卻仍在黑洞質(zhì)量拼圖方面并無太大進(jìn)展。這些中等質(zhì)量的黑洞在哪里？它們真的存在嗎？
拼圖四
引力波從遠(yuǎn)古時空帶來的答案
山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。大質(zhì)量的恒星級黑洞謎題在2015年終被解開。
2016年的2月11日，美國LIGO引力波天文臺聯(lián)合美國自然基金委員會在華盛頓特區(qū)召開了一次激動人心的新聞發(fā)布會并宣布：2015年9月14日，人類第一次直接探測到了期盼已久的引力波[5]——來自遠(yuǎn)古時空的漣漪。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，這個引力波信號來自雙黑洞系統(tǒng)的合并，兩個黑洞的質(zhì)量分別是36個太陽質(zhì)量和29個太陽質(zhì)量，其中引力波輻射損失的質(zhì)量大約為3個太陽質(zhì)量（3個太陽質(zhì)量以引力波的形式釋放出去）。
此后不久，LIGO/VIRGO又宣布探測到了額外的四例黑洞合并引力波事件[6]，并發(fā)現(xiàn)了其它高質(zhì)量的恒星級黑洞，這更加讓天文學(xué)家們確信，中等質(zhì)量范圍的黑洞是普遍存在的。
這里需要額外指出的是，2017年8月17號探測到的雙中子星合并引力波事件，根據(jù)多個理論和數(shù)值計算表明，最終很可能產(chǎn)生了一個2.74太陽質(zhì)量的黑洞（圖4中質(zhì)量最大的黃色小點(diǎn)）。如果屬實，那么這是目前所知道的最小質(zhì)量的恒星級黑洞。
目前發(fā)現(xiàn)的黑洞和中子星質(zhì)量分布圖。藍(lán)色的是引力波發(fā)現(xiàn)的黑洞，紫色是X射線探測到的黑洞，圖片來源：LIGO/Caltech。
拼圖五
黑洞的起源
當(dāng)現(xiàn)有的疑問得到一定緩解之后，更進(jìn)一步的問題橫在了天文學(xué)家面前：這些大質(zhì)量恒星級的黑洞起源為何？宇宙中究竟又有多少類似的黑洞？
上世紀(jì)三十年代，奧本海默研究恒星級黑洞形成時，認(rèn)為恒星級的黑洞是恒星核心坍縮形成的，這種觀點(diǎn)在近幾十年的數(shù)值計算中也得到證實。然而，這其中的不確定性在于：恒星坍縮形成的最大黑洞質(zhì)量是多少？
在引力波事件之前，學(xué)界普遍認(rèn)為：恒星坍縮形成的黑洞質(zhì)量上限在20個太陽質(zhì)量。如果質(zhì)量再大的話，受于前身星星風(fēng)、金屬豐度等多種因素的影響，很難形成再高質(zhì)量的黑洞。
然而，2015年的引力波事件卻打破了這一觀點(diǎn)。為了解釋它們的起源，有天文學(xué)家再次提出恒星在死亡之時不產(chǎn)生超新星爆發(fā)、整體坍縮形成黑洞的說法，或者說，這些恒星經(jīng)歷了失敗的超新星過程。
而在此之前，一些電磁波觀測的系統(tǒng)已經(jīng)為此觀點(diǎn)提供了間接證據(jù)。比如，第一個黑洞候選體天鵝座X-1就是整體坍縮而成的，在最后形成的時候，只拋射出去了小于0.1個太陽質(zhì)量的氣體。因為沒有爆發(fā)，所以天文學(xué)家們推斷最終黑洞的運(yùn)動速度應(yīng)該是非常小的，這點(diǎn)也和觀測一致，只有每秒21公里左右[7]，而其它的黑洞自行速度通?？梢赃_(dá)到50-100公里每秒。
直接觀測證據(jù)也在2017年出現(xiàn)：天文學(xué)家觀測到，十年前曾經(jīng)有一個小爆發(fā)的恒星N6946-BH1突然間消失，恒星質(zhì)量是25個太陽質(zhì)量。在排除了塵埃遮擋等其它因素之后，被認(rèn)為很大概率是沒有經(jīng)過超新星階段，直接坍縮成了一個黑洞[8]。
N6946-BH1系統(tǒng)想象圖，圖片來源：NASA。
除了“失敗的超新星”解釋之外，科學(xué)家們也從2015年的引力波事件——小質(zhì)量黑洞合并成大質(zhì)量黑洞的過程中得到啟示，提出即使是合并之前的恒星級黑洞（20-30個太陽質(zhì)量）也是合并而成，并非坍縮而直接形成的。
對于這兩種說法，目前并不能通過觀測很好的區(qū)分、證明，最為主要的因素是目前引力波探測器的精度還不夠高，觀測數(shù)據(jù)對于合并之前黑洞的一些基本性質(zhì)并不能做出很好的限制，自然也沒有辦法對更早之前的形成過程做出解釋。
拼圖六
黑洞的數(shù)量
那么，宇宙中到底存在著多少黑洞？
在雙黑洞產(chǎn)生的引力波被直接探測到之前，根據(jù)X射線望遠(yuǎn)鏡所觀測到的黑洞數(shù)據(jù)，以及恒星演化合成理論和金屬豐度的研究，天文學(xué)家估計銀河系里應(yīng)該存在著1億到10億個黑洞。
在引力波被直接探測到，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更高質(zhì)量的黑洞之后，Elbert等人對特定質(zhì)量星系中黑洞的數(shù)目重新做了估算[9]，所使用的依舊是星族合成的方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于質(zhì)量和銀河系質(zhì)量相當(dāng)?shù)男窍担|(zhì)量高于10個太陽質(zhì)量的黑洞數(shù)目應(yīng)該多于1億個，這基本上和之前的估算數(shù)目是一致的。
盡管黑洞的數(shù)目巨多，從目前的觀測情況看，我們僅僅發(fā)現(xiàn)了不足100個黑洞，可以推斷絕大多數(shù)應(yīng)該是孤立黑洞或者就是以雙黑洞的形式存在的。
那么，大質(zhì)量的恒星級黑洞已經(jīng)找到，理論上數(shù)目巨大的中等質(zhì)量黑洞又在哪里？
拼圖七
中等質(zhì)量黑洞究竟在哪？
按照主流的黑洞增長圖景，小質(zhì)量黑洞合并會形成中等或者超大質(zhì)量黑洞的種子，再通過吞食氣體或者恒星形成星系中心的成熟的超大質(zhì)量黑洞。如果這種推斷正確的話，應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞的影子，尤其是那些質(zhì)量為幾百或者幾千的黑洞。中等質(zhì)量黑洞是黑洞質(zhì)量拚圖中極為重要的一部分，天文學(xué)家花費(fèi)了很大氣力來尋找它們。
中等質(zhì)量的黑洞最有可能存在的三個地方在：矮星系、球狀星團(tuán)和極亮X射線源（Ultra-luminous X-ray Sources）。
先說矮星系，其質(zhì)量比正常星系的質(zhì)量要小（恒星質(zhì)量范圍從幾億到幾十億），且形狀通常很不規(guī)則。目前在它們的中心已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了黑洞，質(zhì)量大約從幾萬到幾十萬太陽質(zhì)量不等。
再說極亮X射線源，它們的亮度通常是一般恒星級黑洞所產(chǎn)生亮度的幾百倍。而在正常的情況之下，亮度與質(zhì)量成正比，科學(xué)家們進(jìn)而推斷其質(zhì)量有可能為幾百個的太陽質(zhì)量。
那么，它們的質(zhì)量究竟是不是幾百個太陽質(zhì)量？
在很長一段時間內(nèi)，這些天體是最有可能的中等質(zhì)量黑洞候選體。但是在最近幾年，對其中一些系統(tǒng)中致密天體質(zhì)量的測量結(jié)果，卻出乎意料。原來這些天體很多還是恒星量級的黑洞，甚至還發(fā)現(xiàn)了一個是中子星的事例[10]，也就是說，這些系統(tǒng)在以超常的狀態(tài)產(chǎn)生輻射和光。然而，科學(xué)家們通過對M82 X-1系統(tǒng)的光變曲線中某些振動周期的擬合，卻得到了黑洞的質(zhì)量大約為400個太陽質(zhì)量的結(jié)論。
所以我們可以看到，極亮X射線源當(dāng)中也有可能存在著中等質(zhì)量的黑洞，然而大多數(shù)應(yīng)該不是。
那么, 球狀星團(tuán)中心有沒有黑洞？這是讓天文學(xué)家更為關(guān)心一個問題。在我們所處的銀河系中，有一百多個球狀星團(tuán)?？茖W(xué)家們通過對其觀測，尤其是對一些比較明亮、包含恒星數(shù)目多的球狀星團(tuán)進(jìn)行了詳細(xì)的觀測，遺憾的是，沒有發(fā)現(xiàn)任何黑洞存在的跡象。
有一些理論計算表明，球狀星團(tuán)中的恒星級黑洞在形成之后，會在下沉到星團(tuán)中心的過程中最終被彈射出去，所以球狀星團(tuán)中不一定會有恒星量級的黑洞和中心的中等質(zhì)量黑洞。雖然在2012年，美國天文學(xué)家偶然在球狀星團(tuán)M22中探測到了兩個黑洞系統(tǒng)，這讓天文學(xué)家們確信黑洞并沒有完全被彈射出去[11]。可惜在之后的幾年當(dāng)中，觀測并無進(jìn)展。
然而，有天文學(xué)家另辟蹊徑，認(rèn)為如果有質(zhì)量大一些的中等質(zhì)量黑洞存在，那么應(yīng)該會對周圍的恒星分布以及它們的速度造成影響，從而可以間接探測到黑洞。2017年初，科學(xué)家們通過這種引力作用的效應(yīng)方式，在杜鵑座47（47 Tucanae）中心發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量大約為2200個太陽質(zhì)量的黑洞存在[12]。因為在電磁波段還沒有探測到任何的特征，所以目前也僅僅是被列為候選體，等待進(jìn)一步驗證。不過，這也算在發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞的道路上跨出了重要一步。
杜鵑座47的光學(xué)照片圖。
擬合得到的中心黑洞質(zhì)量分布圖，圖片來源：Nature。
通過這七塊拼圖，黑洞的質(zhì)量拼圖雛形已經(jīng)具備，不過這也僅僅是黑洞研究萬里長征中的一小步。這些神秘的家伙留給人類無限的想象空間，它們也許有著超凡的能力，也許是通往另外一個時空或者平行宇宙的入口。無數(shù)未知的謎團(tuán)還等待著好奇的人類去積極探索。
作者簡介：
茍利軍：中國科學(xué)院國家天文臺研究員，中國科學(xué)院大學(xué)教授，恒星級黑洞及其爆發(fā)現(xiàn)象研究團(tuán)組負(fù)責(zé)人。2012年獲青年千人計劃，2016年獲僑界個人貢獻(xiàn)獎。曾翻譯《星際穿越》、《丈量宇宙》、《暗物質(zhì)與恐龍》和《太空生存指南》等書。也曾聯(lián)合撰寫有關(guān)黑洞、引力波等10余篇科普文章。
徐明徽：澎湃新聞記者。
制版編輯 | 栗子
