蘋果落地，GPS的運作，太陽繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，宇宙的膨脹……
所有這些我們熟悉的現(xiàn)象都離不開一個理論，那就是廣義相對論。
1915年，愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表了全新的引力理論——廣義相對論，顛覆了我們先前對時間和空間的理解。這個理論告訴我們，引力是時空彎曲的結(jié)果。廣義相對論的強大不僅在于它解決了當時牛頓的引力理論無法解釋的問題，也在于它強大的預(yù)言能力。在所有的預(yù)言中，其中有一個甚至連愛因斯坦都認為可能不存在，那就是黑洞。
就在廣義相對論發(fā)表不久后，德國天體物理學家史瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了廣義相對論核心方程的精確解。史瓦西的解也預(yù)示著宇宙中或許存在著最神秘的天體——黑洞。
黑洞是由奇點的存在而定義的，它是空間中的一個區(qū)域，被“事件視界”包圍著。事件視界是一個有去無回的邊界，任何東西（包括光）一旦進入再也無法逃脫。
當一顆大質(zhì)量恒星在自身的引力下坍縮時，就會形成黑洞。在事件視界上，時間取代了空間，并且只指向前方。時間的流動將一切都帶向位于黑洞內(nèi)最深處的奇點，那一點有著無窮大的密度，時間在那里終止了。| 圖片來源：nobelprize.org
但黑洞真的可以形成嗎？
在愛因斯坦去世的十年后，英國理論學家彭羅斯（Roger Penrose）證明了黑洞可以形成，并且描述了它們的性質(zhì)。
上個世紀60年代，黑洞是否能夠在現(xiàn)實條件下形成一直困擾著彭羅斯。在后來的回憶中，彭羅斯表示答案出現(xiàn)在1964年的秋天，當時他正和他的同事在倫敦散步。當他們停止談話，并穿過一條小街時，一個想法在他的腦海中一閃而過。那天下午的晚些時候，他在記憶中搜尋他的想法。一個被他稱為“俘獲面”的想法，是他用來描述黑洞的關(guān)鍵概念。
一個俘獲面會迫使所有光線都指向一個中心，無論表面是外向彎曲還是內(nèi)向彎曲。俘獲面成為了彭羅斯證明奇點定理的核心概念。
這張圖是基于彭羅斯在1965年的論文，它展示了物質(zhì)坍縮成黑洞的過程。在一個被俘獲的表面上，所有的光錐都向內(nèi)傾斜，奇點的形成不可避免。| 圖片來源：nobelprize.org
彭羅斯的發(fā)現(xiàn)表明，黑洞是廣義相對論的直接結(jié)果，但在奇點擁有的無限強引力下，廣義相對論卻不再適用。理論學家目前正試圖創(chuàng)建一個全新的量子引力理論，這個理論將物理學的兩大支柱——相對論和量子力學——結(jié)合起來。
盡管無法直接看到黑洞，但是它強大的引力可以影響周圍恒星的運動。
在所有的星系中心，都隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞，包括銀河系。上個世紀90年代，根策爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez）各自領(lǐng)導(dǎo)了一個研究小組，開始追蹤繞著銀河系中心的恒星的運動。
銀河系是我們所在的星系。從“上”方看，它的形狀就像一個直徑約10萬光年的扁平圓盤。它的旋臂是由氣體、塵埃和幾千億顆恒星組成的，其中一顆就便是我們的太陽。| 圖片來源：nobelprize.org
但是，要觀測銀河系中心非常不容易，因為有大量的星際氣體和塵埃構(gòu)成的巨大的云團會阻礙我們的視線。紅外望遠鏡和射電技術(shù)的發(fā)展使看到銀河系中心的恒星成為可能。
利用世界上最大的望遠鏡，根策爾和蓋茲發(fā)展出了一些可以穿透云團而看到銀河系中心的方法。在這個過程中，自適應(yīng)光學的出現(xiàn)對改進觀測來說是至關(guān)重要的，這種方法通過在望遠鏡上安裝一個薄薄的額外的鏡面來抵消大氣湍流，從而校正畸變的圖像。近30年來，根策爾和蓋茲一直在追隨位于遙遠的銀河系中心的恒星群。他們突破了技術(shù)的局限，不斷地發(fā)展并改進這項觀測技術(shù)，通過使用更靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應(yīng)光學元件，使圖像分辨率提高了數(shù)以千倍以上，從而使得他們可以更精確地確定恒星的位置。
自適應(yīng)光學的原理：激光系統(tǒng)被用來制造能感知由地球大氣導(dǎo)致的模糊的人工導(dǎo)星，由激光（1）產(chǎn)生的亮斑圖像在一個反饋回路中被用來引入一個副鏡（2）的快速變形，這個過程有效地校正了科學圖像（3）中的大氣湍流。| 圖片來源：nobelprize.org
他們的開創(chuàng)性工作表明，銀河系的中心隱藏著一個看不見的超大質(zhì)量黑洞——質(zhì)量為太陽質(zhì)量的400萬倍。
這些恒星軌道是目前為止黑洞存在的最令人信服證據(jù)，這證明在人馬座A*中隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞。據(jù)估計，這個黑洞的質(zhì)量大約為400萬倍太陽質(zhì)量，它就擠在一個不比我們太陽系更大的區(qū)域之內(nèi)。| 圖片來源：nobelprize.org
去年，事件視界望遠鏡已經(jīng)拍攝到了M87中心的超大質(zhì)量黑洞，而很快我們也將看到銀河系中心的黑洞。
三位諾獎得主的發(fā)現(xiàn)為研究致密黑洞打開了新天地。但是黑洞仍然有許多謎題等待被解答，這些問題包括了黑洞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，黑洞周圍的吸積盤和噴流，以及如何在像黑洞附近這樣極端的引力條件下檢驗廣義相對論。
