从广义相对论到引力波：人类真的已经“看见”黑洞了吗？ | {$randkws}热点解读 具有无比巨大的引力

从广义相对论到引力波：人类真的已然“看见”黑洞了吗？

在这张由事情视界望远镜（EHT）兴办项目取景的标志性图像中，超大品质黑洞在周围气体的辉光中投射出一个黑色的圆形“阴影”
（神秘的地球uux.cn报导）据新浪技术（来源：Science 撰文：阿德里安·周（Adrian Cho） 翻译：任天）：20世纪70年代初，当索尔·图科斯基还在攻读理论物理学的博士学位时，他就解决了一个看似纯粹假设性的难题。我们可以将黑洞想象成由大品质恒星燃烧并坍缩而成的精选娱乐八卦一个无限小的点，具有无比巨大的引力。假设你扰动了这个黑洞，就像敲击一口大钟一样，那黑洞会作何反应？
图科斯基当时是加州理工学院的博士探究生，他用铅笔、纸和爱因斯坦的引力理论——广义相对论——对这个难题开展知晓读。他察觉，黑洞就像一口大钟，会以一个主频和多个泛频振荡。当黑洞释放出引力波时，这些振荡会迅速消失。如今，图科斯基在康奈尔大学担任物理系主任。他强调，这是一个相当有意思的难题，但直到5年前，对这个难题的探究还是完全抽象的。
2016年2月，探究人员第一次报导了用激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到的引力波通讯。依据计算，该引力波源自两个相互环绕、逐步靠近的黑洞，它们距离地球约13亿光年，品质分别约为太阳的29倍和36倍。LIGO乃至能探测到双黑洞操控系统合并为更大黑洞之后的“铃宕”（ring down，又称“拖尾波形”）阶段，相当于合并过程形成的扰动。据估计，它们合并形成的黑洞品质约为太阳的62倍，有约3倍太阳品质的能量在不到1秒的时间内以引力波的形式释出。于是，图科斯基早期发表的贵阳基金理财榜单论文忽然间变成了前沿物理学。
尽管听起来很不可思议，但科学家们如今已然可以将黑洞当作真实物体来探究了。自LIGO的革新性察觉以来，引力波探测器已然察觉了40多个黑洞合并事情。2019年4月，一个名为事情视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称EHT）的海外兴办项目取景了第一张黑洞图像。EHT结合了全球各地的多台射电望远镜，形成了一台口径等效于地球直径的虚拟望远镜。探究人员将它对准了银河系附近的室女A星系（M87），拍下了环绕其中心超大品质黑洞“阴影”的炽热气体环。与此另外，天文学家也在追踪那些高效接近银河系中心黑洞的恒星，这些恒星的轨迹或许为揭示黑洞本身的性质提供线索。
在天体物理学家看来，这些观测结局已然考验了有关黑洞如何形成，以及它们如何作用周围生态的假设。探究人员经由对室女座干涉仪（Virgo，位于意大利）的资料确认表明，此前LIGO所探测到的一些较小黑洞或许比预期的更重、更多样。这使得天体物理学家更难以理解或许形成这些黑洞的大品质恒星。在我们的银河系中，超大品质黑洞周围的生态似乎出奇的“富饶”，充满了年轻恒星，而按照之前的猜想，这些恒星并不会在这样的“漩涡”中形成。还有一些科学家提出了一个更有吸引力的根本难题：我们是否真的目睹了爱因斯坦理论所预测的黑洞？
一些理论物理学家强调，答案很或许是平淡无奇的“是”。美国芝加哥大学的引力理论学家罗伯特·沃尔德说：“从这些结局中，我不觉得我们能学到更多有关广义相对论或黑洞理论的东西。”但其他人并不这么觉得。“真实的黑洞与广义相对论中预测的黑洞是完全一样，还是两种截然各异的事物？”佛罗里达大学的引力理论学家克利福德·威尔说，“这将是前方观测的重点。”任何反常现象都请求对爱因斯坦的理论开展重新思考。物理学家怀疑，聚焦固态硬盘排行爱因斯坦的理论并不是引力的最后定论，由于它与现代物理学的另一基石——量子力学——格格不入。
美国加州大学洛杉矶分校的天体物理学家安德烈娅·盖兹强调，针对黑洞，探究人员已然经由各式手段获得了各异而互补的观点。盖兹因推测银河系中心存在超大品质黑洞而获得2020年诺贝尔物理学奖。她说：“要想拼凑出一幅完整的图景，我们还有很长的路要走，但肯定会找到更多的拼图碎片。”
充满矛盾的黑洞
黑洞由纯引力能组成，充满了矛盾。它不包含任何物质，但就像保龄球一样，拥有品质并能够旋转；它没有表面，但有大小；它的行为如同一个宏大而有重量的物体，但实际上只是空间中一个特别的区域。
这正是爱因斯坦在1915年发表的广义相对论中所说的。早在两个世纪前，艾萨克·牛顿就提出，引力是一种以某种方式穿过空间、使大品质物体相互吸引的力。爱因斯坦的观点更深一层，他觉得引力的形成是由于恒星和行星等品质巨大的物体扭曲了空间和时间——也就是时空（spacetime）——会导致自由落体的物体发生轨迹弯曲，比如抛出的球以抛物线下落。
早期广义相对论的预测与牛顿的引力理论只有些微各异。牛顿预测行星应该以稳定的椭圆轨道围绕其恒星管理；广义相对论则预测每个轨道会在管理时朝某个方向稍微转动，这被称为轨道进动（precess）。在广义相对论的第一次胜利中，爱因斯坦证明了该理论可以阐释水星轨道的岁差，此前古典力学所预测的数值与水星近期点的进动并不吻合，而广义相对论消除了观测与理论上的歧异。就在几年后，物理学家意识到爱因斯坦的这个理论还暗示着一些更为颠覆性的东西。
1939年，理论物理学家罗伯特·奥本海默及其同仁计算出，当一颗品质足够大的恒星燃烧殆尽时，任何已知的回顾演员阵容热点力都无法阻止它的核心坍塌为一个无穷小的点，其引力场就像时空中一个永久的无底深坑。在距离这个点的一定范围内，引力之强大，连光都无法逃脱。加州理工学院的理论物理学家大卫·芬克尔斯坦在1958年提出，任何越过这一距离的物体都将与宇宙的其他若干隔绝，这就是所谓的“事情视界”。事情视界并不是一个物理表面，掉入其中的宇航员（假如或许的话）并不会目睹什么尤其的现象。芬克尔斯坦在2016年1月24日去世，就在LIGO亮相探测到引力波的前几天；他留下了一个推论：事情视界将像一层单向膜，可以让物体掉进去，但内部的一切无法逃出。
依据广义相对论，这些物体——最后由著名理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”——应当表现出惊人的相似性。1963年，新西兰数学家罗伊·克尔计算出了一定品质的旋转黑洞会如何扭曲时空。其他探究者不久证明，在广义相对论中，品质和自旋是黑洞能够拥有的两个基础特征，这意味着克尔的数学公式，即“克尔度规”（Kerr metric），可以刻画宇宙中存在的每一个黑洞。惠勒将这一结局称为“无毛定理”（no-hair theorem），以强调两个品质和自旋一样的黑洞就像秃头一样难以确认。图科斯基强调，惠勒本人就是秃头，“这大约就是秃头人士的自豪感吧”。
加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔强调，一些物理学家怀疑黑洞或许并不存在，只是理论家们的想象之物。这些怀疑论者觉得，黑洞或许只是广义相对论精妙数学体系的人工产物，或者只或许在非现实的条件下形成，比如一个完美球形恒星的坍缩。但是，在20世纪60年代末，牛津大学的理论物理学家罗杰·彭罗斯用严谨的数学消除了这些疑虑，他也所以转发了2020年的诺贝尔物理学奖。卡罗尔说：“彭罗斯精确地证明了，即使是一个块状物体，只要密度变得足够高，它就会坍缩成一个黑洞。”
如何探测黑洞？爱因斯坦的广义相对论预言，当足够大的品质探索时，会留下一个可以自我维持的引力场，其强度之大足以使任何物体都无法逃脱，即使是光。但是，黑洞真的如广义相对论所预言的那般不可思议吗？观测物理学家们如今已然有了或许找到答案的工具：
1。 追踪恒星。追踪银河系中心黑洞周围恒星的轨道可以揭示黑洞是否像广义相对论预测的那样扭曲空间和时间；
2。 取景图像。超大品质黑洞的图像将为我们提供线索，以判断它是否像广义相对论预测的那样拥有事情视界而不是物理表面，并测试黑洞是否只有品质和自旋两个基础特征
3。 捕捉引力波。当两个较小的黑洞环绕并合并时会发出引力波，经由对引力波通讯的观测，可以揭示这些黑洞是否真的是物质实体。假如合并后的黑洞以主频和泛频的方式振荡，就能测试它的基础属性是否只有品质和自旋。
不久，天文学家着手探测到黑洞存在的迹象。他们察觉了围绕恒星管理的微小X射线源，比如天鹅座X-1（Cygnus X-1）。天体物理学家推断，这些X射线来自于从恒星研究的气体，当它落到某个神秘的物体上时，温度会不断升高。气体温度和轨道详情表明，这个X射线源的品质过于巨大，能量范围又极其小，所以除了黑洞以外不或许是其他任何东西。相似的推理表明，遥远的类星体——能辐射巨大能量的促销星系核——也是由其中心的超大品质黑洞提供能量的。
美国亚利桑那大学的天体物理学家费娅尔·奥泽尔强调，没有人能确定这些黑洞实际上就如理论物理学家所描绘的那样。“我们到当下为止所获得的察觉，很少能确定事情视界的存在，”她说，“这是一个悬而未决的难题。”
如今，经由各式观察黑洞的方法，科学家们可以着手测试他们对黑洞的理解，寻找或许彻底改变物理学的新察觉。“尽管这种或许性相当小，但假如我们能察觉任何偏离广义相对论预测的结局，那将具有相当重大的价值，”卡罗尔说，“这是一个高隐患、高回报的难题。”
对黑洞的观测
科学家期盼回答三个很具体的难题：我们观测到的黑洞真的有事情视界吗？它们真的像无毛定理说的那样没有其他特征吗？以及，它们会像克尔度规预测的那样扭曲时空吗？
也许回答这些难题最简易的工具就是安德烈娅·盖兹所开发的工具。自1995年以来，她和同仁们一直在使用位于夏威夷的10米口径凯克望远镜来追踪人马座A*（Sgr A*）周围的恒星。人马座A*是位于银河系中心的一个极其明亮且致密的无线电波源。1998年，他们观测到这些恒星在高速运动，表明它们正围绕一个品质约为太阳400万倍的物体管理。由于人马座A*在如此小的体积中容纳了如此多的品质，按照广义相对论的预测，它一定是一个超大品质黑洞。马克斯·普朗克地外物理探究所的天体物理学家赖因哈德·根策尔也独立追踪了这些恒星，得出了同样的结论，并与安德烈娅·盖兹共同获得了诺贝尔奖。
这其中，大若干信息来自于一颗被盖兹称为S02的恒星（根策尔记为“S2”），它每16年围绕人马座A*旋转一周，轨道是很扁的椭圆。正如水星绕太阳的轨道进动一样，S02的轨道也应该具有这一现象。盖兹及其同仁试图从极其繁琐的资料中找出这一进动效应。“我们已然相当接近，”盖兹说，“我们察觉了一个通讯，但仍在说服自己它是真实的。”2020年4月，根策尔团队获得了一个重大察觉：多年观察表明，S02恒星的轨道并没有维持静止，而是慢慢发生着有规律的旋进——即“史瓦西进动”（Schwarzschild precession）——呈现出犹如玫瑰花结的管理轨迹。
假如运气好的话，盖兹和根策尔等探究者有望找到其他的异常现象，以最后确定超大品质黑洞的本质。黑洞的自旋应该会改变其附近恒星轨道的进动，而具体的改变方式可以由罗伊·克尔的数学刻画来预测。克利福德·威尔说：“假如有恒星比已然观察到的（黑洞附近）恒星距离更近——比如近10倍——那就可以测试克尔度规是否完全正确。”
恒星追踪技术或许永远无法探测到相当接近人马座A*事情视界的地方。据估计，人马座A*的直径约为4400万公里，只比水星最接近太阳的距离（4600万公里）略短。相比之下，事情视界望远镜（EHT）结合了来自全球各地11台射电望远镜或阵列的资料，构成了一台庞大的虚拟望远镜，能对另一个超大品质黑洞开展近距离观察。这个位于室女A星系中的庞然大物拥有65亿倍太阳品质。
两年前，EHT团队亮相了一张著名的黑洞影像图片，看起来就像一个燃烧的马戏团圆环，但实际上，图像中蕴含的信息要繁琐得多。明亮的光环来自高温气体，其包围的黑色若干并不是黑洞本身；相反，这是前方气体发出的光被黑洞的引力扭曲（引力透镜效应）所投射出来的“阴影”。可是，阴影的边缘并不是事情视界的边界，而是超出了大约50%的距离；在这个距离范围内，时空被扭曲到足以让穿过的光绕着黑洞旋转，既没有逃逸也没有落入黑洞。
即便如此，这幅图像还是保留了与这个超大品质黑洞中心有关的线索。例如，光环的光谱可以揭示该物体是具有物理表面还是事情视界。费娅尔·奥泽尔阐释称，撞击到物理表面的物质会比滑入黑洞的物质发出更明亮的光（到当下为止，探究人员还没有察觉光谱扭曲）。阴影的形状也可以测试黑洞的经典图像，即一个自旋黑洞的事情视界应该在赤道处凸出。但是，广义相对论中的其他效应或许会抵消阴影的这一效应。“由于各异方向的挤压被相当怪异地抵消了，阴影看起来依然是圆形的，”奥泽尔说，“这就是为什么阴影的形状可以直接测试无毛定理的缘由。”
一些探究者质疑EHT能否以足够的精度获得黑洞图像，以开展这些测试。塞缪尔·格拉拉是亚利桑那大学的理论物理学家，他怀疑EHT或许并没有“目睹”黑洞的阴影，而是从上往下俯瞰了围绕着黑洞旋转的圆盘状气体。假如是这样的话，图中央的黑点就仅仅是一场天体物理飓风的风眼。但奥泽尔强调，即使分辨率有限，EHT依然对测试广义相对论在黑洞周围的未知概念领域做出了重大贡献。
相比之下，引力波传递的信息直接来自黑洞本身。当黑洞以一半光速螺旋形合并在一起时，这些时空涟漪就会不受阻碍地穿过普通物质。当下，在LIGO和Virgo已然探测到的黑洞合并事情中，黑洞的品质从太阳的3倍到86倍不等。
弗兰克·欧姆是一位引力理论学家，另外也是马克斯·普朗克引力物理探究所的LIGO团队成员。他强调，经由这些合并事情，我们可以以各式方式探测黑洞。假设这些都是经典黑洞，探究人员就可以依据广义相对论计算出合并形成的引力波啁啾通讯是如何加速，如何达到峰值，又是如何减弱的。假如这些大品质天体实际上是更大的物质实体，那么它们在靠近时就会相互扭曲，从而改变通讯的峰值。到当下为止，探究人员没有察觉任何这样的转变。
这种合并也形成了一个受扰动的黑洞，就像图科斯基早期理论中所刻画的那样，而这就为测试广义相对论提供了另一个途径。合并后的黑洞会呈现短暂而强烈的振荡，呈现为一个主频和多个较短的泛频。依据无毛定理，这些频率及其持续时间只取决于最后黑洞的品质和自旋。弗兰克·欧姆说：“当你单独确认每一种模式时，它们都必须指向一样的黑洞品质和自旋，否则就会呈现难题。”
2019年9月，图科斯基及其同仁在一次通讯尤其强烈的合并事情中，找出了主频和一个泛频。对此弗兰克·欧姆强调，假如评测者能够提升探测器的灵敏度，他们或许能察觉两到三个泛频，从而足够对无毛定理开展测试。
前方的黑洞探究
前方的探测仪器或许会使这类测试变得更轻松。安德烈娅·盖兹强调，正智利和夏威夷建造的30米口径光学望远镜将具有比现有仪器高80倍的分辨率，可以更认真地观察人马座A*附近的区域，并或许探测到距离该黑洞更近的恒星。相似地，EHT的探究人员也在他们的联网中加入了更多的射电望远镜阵列，这将使他们能更精确地取景室女A星系中心黑洞的图像。另一方面，他们也在使用观测人马座A*并成像。
与此另外，引力波探究者已然着手开发下一代更灵敏的探测器，含有激光干涉仪空间天线（LISA），它将由三颗相隔数百万公里的卫星组成，在太空中构成一个等边三角形。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家尼古拉斯·尤尼斯强调，LISA探测器具有极高的探测灵敏度，将在21世纪30年代发射，它或许能在某个遥远的星系中，察觉一个普通的恒星品质黑洞螺旋式靠近一个超大品质黑洞，并最后与之合并的过程。
较小的黑洞可以身为某种精确的探测器，揭示一个更大黑洞周围的时空扭曲是否完全如克尔度规的预测。尤尼斯强调，一个肯定的结局将巩固广义相对论对黑洞的预言，“但你必须等待LISA的进展”。
与此另外，黑洞在忽然之间变得可以观测的事实已然改变了引力物理学家的日常。广义相对论和黑洞曾经只存在于思维评测中，或者只能像图科斯基那样开展优雅而抽象的计算，如今却忽然变成基础物理学中最热门的领域。以便测试广义相对论，科学家们设计了需要投入高达数十亿美元的评测。“我真切感受到了这种转变，”弗兰克·欧姆说，“这是一个相当小的圈子，但随着引力波的探测，一切都改变了。”