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2020年10月6日瑞典諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布，因?qū)诙蠢碚摵痛筚|(zhì)量致密天體觀測(cè)研究，本年度物理學(xué)獎(jiǎng)分別授予英國(guó)牛津大學(xué)羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)教授，德國(guó)馬普地外物理研究所萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)教授和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校安德里亞·格茲(Andrea Ghez)教授(圖1)。其中，彭羅斯教授證明了黑洞是廣義相對(duì)論的必然結(jié)果，引力坍縮是大質(zhì)量天體的必然命運(yùn)；根澤爾教授和格茲教授在銀河系中心發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量致密天體(即銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞)。新聞發(fā)布會(huì)上，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主席戴維·哈維蘭德談到，“今年獲獎(jiǎng)?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)為研究致密和超大質(zhì)量天體開(kāi)辟了新天地。但這些奇特的物體仍然提出了許多有待進(jìn)一步解答的問(wèn)題，并激發(fā)未來(lái)的研究”。物理學(xué)家和天文學(xué)家均認(rèn)為獲獎(jiǎng)是實(shí)至名歸。大質(zhì)量黑洞研究正處于方興未艾的初創(chuàng)階段，關(guān)于它們?nèi)绾涡纬膳c如何演化以及在宇宙演化中的重要作用等重大問(wèn)題的探索才剛剛拉開(kāi)帷幕。

圖1 2020年3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。左起：羅杰·彭羅斯，萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲

在愛(ài)因斯坦發(fā)表引力場(chǎng)方程不到半年的時(shí)間，德國(guó) Potsdam 天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)，正在第一次世界大戰(zhàn)前線的施瓦西(K. Schwarzschild)在戰(zhàn)壕里求解了引力場(chǎng)方程，得到了第一個(gè)解析解，度規(guī)如下：

其中

美國(guó)天文學(xué)家賽弗特(K. Seyfert)最早注意到某些星系的中心區(qū)域特別亮。他首次拍攝了NGC4151等6個(gè)星系的核心光譜，被后人稱為賽弗特星系，或者活動(dòng)星系核。令人驚訝的是，光譜被發(fā)射線主導(dǎo)而且譜線輪廓寬度高達(dá)每秒 6000 km，完全不同于恒星光譜。令人遺憾的是，這些結(jié)果并沒(méi)有受到同行的重視。直到1958年 Chicago 大學(xué) L. Woltjer 在他的博士論文里深刻地認(rèn)識(shí)到，這些寬發(fā)射線所在的核心區(qū)域，一定被一個(gè) 10⁸ M_⊙ 質(zhì)量的強(qiáng)引力場(chǎng)束縛，才不至于土崩瓦解。這個(gè)深刻認(rèn)識(shí)其實(shí)來(lái)自一個(gè)簡(jiǎn)單判斷：如果這個(gè)每秒 6000 km 的速度對(duì)應(yīng)于熱運(yùn)動(dòng)速度，那么這個(gè)區(qū)域的溫度將達(dá)到 10⁸ K 以上，所有的元素都將全部電離，這樣就不可能看到發(fā)射線，因此，這個(gè)運(yùn)動(dòng)速度一定是非熱運(yùn)動(dòng)。除了紅移，NGC4151的光譜與類星體無(wú)異，這些物理思考已經(jīng)非常接近預(yù)言類星體的存在了，但是復(fù)雜凌亂的天文現(xiàn)象遮擋了深層次的物理圖像。

然而，類星體研究的第一個(gè)大問(wèn)題是，它們紅移的本質(zhì)是什么？是宇宙學(xué)紅移還是局部物理過(guò)程引起的紅移？從1960年代開(kāi)始，著名學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)學(xué)派堅(jiān)持各自的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，進(jìn)行了十分激烈的爭(zhēng)論。隨著類星體樣本數(shù)量增加，紅移越來(lái)越高，紅移的宇宙學(xué)起源在經(jīng)歷了20多年的爭(zhēng)論之后，逐漸成為科學(xué)界的共識(shí)。勝利屬于具有敏銳智慧的學(xué)者。在宇宙學(xué)起源的假設(shè)下，前蘇聯(lián)著名天體物理學(xué)家Y. Zel′dovich教授(蘇聯(lián)原子彈之父)和美國(guó)康奈爾大學(xué)E. Salpeter教授，在類星體發(fā)現(xiàn)之后不到一年的時(shí)間里，各自獨(dú)立地提出超大質(zhì)量黑洞存在于星系中心，由于吸積周圍氣體釋放出大量能量，形成類星體。這一大膽充滿睿智的解釋奠定了類星體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本框架，人類對(duì)能源機(jī)制的認(rèn)識(shí)又從核能回到了引力能。如果賽弗特星系和類星體是由星系中心黑洞的吸積產(chǎn)生，在河外星系觀測(cè)啟發(fā)下，一個(gè)自然的問(wèn)題是銀河系中心是否存在黑洞？根澤爾和格茲教授就是在此信念支持下，對(duì)銀河系中心進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30多年的觀測(cè)研究，從觀測(cè)上證明了超大質(zhì)量黑洞的存在。這一里程碑式的進(jìn)展，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是實(shí)至名歸。

雖然早在百年前哈佛大學(xué) H. Shapley 教授就已經(jīng)確定了銀河系中心位置，但直到1960年代，射電天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)銀河系中心區(qū)域的射電輻射很強(qiáng)后，才極大地促進(jìn)了對(duì)銀河系中心的大規(guī)模研究。然而，要精密檢測(cè)這個(gè)區(qū)域的物理?xiàng)l件，首先需要克服三大困難：(1)中心輻射區(qū)域具有很多氣體和塵埃，因此消光和吸收十分嚴(yán)重；(2)需要高空間分辨率的觀測(cè)設(shè)備，即大口徑望遠(yuǎn)鏡，特別是物理目標(biāo)集中在檢驗(yàn)是否有大質(zhì)量黑洞時(shí)，要求空間分辨率高達(dá)毫角秒，只有 10 m 級(jí)望遠(yuǎn)鏡才能實(shí)現(xiàn)；(3)地球大氣擾動(dòng)極大地限制了空間分辨率，必須采用自適應(yīng)光學(xué)消除或者極大減弱擾動(dòng)效應(yīng)之后，才能觀測(cè)中心區(qū)域的物質(zhì)分布和時(shí)空。

觀測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了大約三個(gè)階段，使得空間分辨率達(dá)到了目前的10微角秒。(1)光斑干涉技術(shù)階段：為了減弱大氣擾動(dòng)干擾，觀測(cè)時(shí)控制曝光時(shí)間使之短于大氣擾動(dòng)時(shí)標(biāo)，然后把圖像疊加起來(lái)，可以有效減弱干擾；(2)自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用階段，使得恒星圖像變得清楚足以測(cè)量出恒星軌道；(3)光干涉階段，測(cè)量恒星軌道十分精確，并可以測(cè)量恒星光譜的引力紅移和軌道的施瓦西進(jìn)動(dòng)。天文學(xué)家制造了功能強(qiáng)大的終端儀器，馬普地外物理所根澤爾團(tuán)隊(duì)研制了：8 m VLT+NACO(成像)+SINFONI(光譜)；加州大學(xué)洛杉磯分校格茲團(tuán)隊(duì)研制了：10 m Keck OSIRIS。三個(gè)階段的技術(shù)不斷提高，不斷縮小測(cè)量半徑及其以內(nèi)的質(zhì)量，最終提供了足夠證據(jù)表明超大質(zhì)量黑洞的存在。

與之相應(yīng)的觀測(cè)研究大致經(jīng)歷了5個(gè)主要階段：

(1) 研究初期，只能通過(guò)觀測(cè)中心氣體動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行。在1970年代美國(guó)伯克利團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)銀心氣體的運(yùn)動(dòng)速度很快，高達(dá) 200 km/s，意味著大質(zhì)量引力勢(shì)的存在。這是大質(zhì)量黑洞存在的最早證據(jù)。

(2)1990年后期，根澤爾團(tuán)隊(duì)利用歐洲南方天文臺(tái)的 3.5 m 新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡(New Technology Telescope)觀測(cè)獲得進(jìn)展，雖然不能分辨單一恒星及其軌道，但是可以測(cè)量中心區(qū)域內(nèi)恒星速度彌散。他們發(fā)現(xiàn)中心恒星速度彌散滿足 v∝R^-1/2，顯然，這一觀測(cè)證明了大質(zhì)量引力勢(shì)的存在^[2]。 

(3)格茲團(tuán)隊(duì)利用 10 m Keck 望遠(yuǎn)鏡通過(guò)光斑干涉技術(shù)分辨出銀心存在若干個(gè)恒星^[3]，并開(kāi)始測(cè)量恒星軌道。稍后幾年，根澤爾團(tuán)隊(duì)不斷縮小銀河系中心半徑范圍，測(cè)量了中心質(zhì)量。

(4)從2000年 Keck 望遠(yuǎn)鏡裝配了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)之后，大氣擾動(dòng)得到了極大改善，能夠清晰分辨并測(cè)量出恒星軌道。圖2(a)，(b)顯示恒星S2的軌道以及投影速度。其橢率大約是0.88，近心點(diǎn)為17光時(shí)，到地球的距離為 8 kpc。從 1995 年開(kāi)始直到2020年為止，已知周期最短(16年)的S2恒星在30年間大約經(jīng)歷了2個(gè)軌道周期，對(duì)軌道的精確測(cè)量獲得了精度在5%的可靠黑洞質(zhì)量 M = 4.3 ± 0.20 ± 0.30 × 10⁶ M_⊙。隨著空間分辨率的提高，分辨半徑以內(nèi)的天體質(zhì)量不再發(fā)生變化(圖2(c))。在能夠空間分辨的最小半徑內(nèi)，即在125個(gè)日地距離內(nèi)的密度為 5 × 10¹⁵ M_⊙·pc^-3 [4] 。在已知的大尺度天體中，如此高的密度只能是黑洞，各種高密度的星團(tuán)都會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)坍縮而變成黑洞。

圖2 (a)周期最短的恒星S2軌道；(b)該恒星投影速度隨軌道變化；(c)隨著空間分辨率的提高，分辨半徑以內(nèi)的天體質(zhì)量不再發(fā)生變化^[4]

(5)經(jīng)過(guò)5年時(shí)間，2017年根澤爾團(tuán)隊(duì)花費(fèi)大約8000萬(wàn)歐元成功研制出GRAVITY終端設(shè)備，并將其裝配在歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡干涉陣列(VLTI)上。短短的8個(gè)月后，在近心點(diǎn)處他們精確測(cè)量了S2光譜的引力紅移為 6.7 × 10^-4 (相當(dāng)于速度為200 km/s)^[5]。更令人驚奇的是，GRAVITY團(tuán)隊(duì)還高精度地測(cè)量了S2軌道的施瓦西進(jìn)動(dòng)速度： δ? = 12′/周期^[6]，比太陽(yáng)系水星的施瓦西進(jìn)動(dòng)幅度 43″/世紀(jì)大100倍。這兩項(xiàng)觀測(cè)毫無(wú)爭(zhēng)議地證實(shí)了黑洞的存在及其廣義相對(duì)論效應(yīng)。第5階段的工作最終促成了這個(gè)崇高榮譽(yù)。特別值得注意的是，目前尚未確定銀河系中心是否還有質(zhì)量比低于 10^-3 的小黑洞，是否組成一個(gè)引力束縛的雙黑洞系統(tǒng)。如果存在，那么銀河系中心就會(huì)變成理想的引力波實(shí)驗(yàn)室。時(shí)下有關(guān)理論研究是一個(gè)熱點(diǎn)課題。目前馬普所的天文學(xué)家們正在積極進(jìn)一步提高儀器性能，以能夠測(cè)量出銀河系中心黑洞的自轉(zhuǎn)角動(dòng)量，這樣才能完整地描述黑洞的物理狀態(tài)。

根澤爾和格茲在儀器設(shè)計(jì)和觀測(cè)方面均是行家里手，同時(shí)也都具有長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈的專注品質(zhì)，造就了今天輝煌的學(xué)術(shù)成就，為大質(zhì)量黑洞存在于宇宙之中提供了最為堅(jiān)實(shí)的觀測(cè)基礎(chǔ)。同時(shí)，超大質(zhì)量黑洞作為星系的一部分，為研究星系的形成與演化、丈量宇宙和納赫茲低頻引力波打開(kāi)了未來(lái)探測(cè)之門。

不同于測(cè)量銀河系中心，對(duì)活動(dòng)星系核中黑洞質(zhì)量地測(cè)量相對(duì)要容易。這是因?yàn)樵诤诙粗車嬖趯捑€區(qū)，可以采用反響映射監(jiān)測(cè)核區(qū)光譜變化，獲得寬發(fā)射線和連續(xù)譜的光變曲線，測(cè)量出兩者的時(shí)間延遲，它就是寬發(fā)射區(qū)的特征尺度。通過(guò)物理模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)擬合，可以獲得高精度的黑洞質(zhì)量。到目前為止，采用反響映射大約測(cè)量了150個(gè)活動(dòng)星系核的黑洞質(zhì)量，僅占活動(dòng)星系核總數(shù)的0.3%，大量研究工作有待完成。

首個(gè)亟待回答的問(wèn)題是，銀河系中心存在大質(zhì)量黑洞這一結(jié)論是否適合于所有星系？嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題至今并沒(méi)有準(zhǔn)確的回答?？梢钥隙ǖ氖?，所有活動(dòng)星系核中心都有至少一個(gè)黑洞(某些有雙黑洞)，從它們占所有星系的比例和活動(dòng)星系核演化的角度來(lái)看，大部分星系的核心應(yīng)該都有一個(gè)大質(zhì)量黑洞。其次，1998年，天文學(xué)家利用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)附近星系，通過(guò)恒星動(dòng)力學(xué)方法獲得了大約30多個(gè)中心黑洞質(zhì)量，驚奇地發(fā)現(xiàn)黑洞質(zhì)量與星系核球質(zhì)量成正比，比例因子大約為0。2%，也就是說(shuō)，黑洞與星系核球存在共同增長(zhǎng)。這是令人十分困惑的，因?yàn)閺某叨壬蟻?lái)說(shuō)，兩者相差8—9個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)共同演化十分困難。這其中一定存在某種機(jī)制使得兩者增長(zhǎng)同步。但恒星形成與黑洞吸積之間存在10⁷~10⁸年的時(shí)間延遲。黑洞活動(dòng)的反饋機(jī)制是一種十分可能的過(guò)程，但是反饋機(jī)制的觀測(cè)研究卻十分困難，尚缺乏強(qiáng)烈的觀測(cè)證據(jù)。

事實(shí)上，河外星系中心的黑洞質(zhì)量測(cè)量精度很低，大約為 0.3 dex 左右，相對(duì)誤差大約200%，依此得到的共同演化結(jié)論令人擔(dān)心。這一粗糙的精度完全掩蓋了共同演化的具體行為細(xì)節(jié)，例如恒星形成與黑洞活動(dòng)之間存在一定的時(shí)間延遲(10⁷~10⁸年)，兩者之間是否存在因果關(guān)系？只有精度明顯好于50%時(shí)，才會(huì)看到這些細(xì)節(jié)，如何高精度測(cè)量黑洞質(zhì)量是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。

歐洲普朗克衛(wèi)星高精度測(cè)量了微波背景輻射，基于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型可以得出哈勃常數(shù)最新測(cè)量值 H₀ = 67.4 ± 0.5 km s^-1 Mpc^-1 ；與此同時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者里斯(A. Riess)等人利用傳統(tǒng)造父變星和超新星等距離階梯工具得到的最新測(cè)量值 H₀ = 74.03 ± 1.42 km s^-1 Mpc^-1。兩者差異在4.4σ以上，被稱為哈勃常數(shù)危機(jī)，如圖3所示。能否建立一個(gè)獨(dú)立于現(xiàn)有測(cè)量工具的新方法？特別是，幾何測(cè)量方法，在已知的宇宙學(xué)天體中，只有類星體和活動(dòng)星系核是候選幾何測(cè)距天體。干涉觀測(cè)可以測(cè)量活動(dòng)星系核寬線區(qū)角尺度( ?θ )，反響映射可以測(cè)量其對(duì)應(yīng)的線尺度( ?R )，幾何方法直接給出距離

歐洲南方天文臺(tái)光學(xué)干涉陣列GRAVITY/VLTI首次空間分解了3C273的寬線區(qū)幾何^[7]，為實(shí)現(xiàn)幾何測(cè)距奠定了基礎(chǔ)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)該考慮寬線區(qū)的空間分布模型，距離和黑洞質(zhì)量是其中的參數(shù)，完整擬合光變曲線和干涉信號(hào)，可以同時(shí)得到這兩個(gè)最重要的參量。這套幾何方法既不同于傳統(tǒng)距離階梯工具，也不同于宇宙背景輻射測(cè)量。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所王建民團(tuán)隊(duì)率先將幾何方法成功應(yīng)用于3C273，測(cè)量出

圖3 目前哈勃常數(shù)危機(jī)面臨的挑戰(zhàn)，不免使人想起了1900年代黑體輻射研究中出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”。從高移測(cè)量哈勃常數(shù)與低紅移傳統(tǒng)方法完全不能吻合。黑體輻射函數(shù)的精確測(cè)量催生了普朗克“量子”概念，只要哈勃常數(shù)得到足夠精確測(cè)量之后，必然揭開(kāi)“暗能量”背后的新物理

大質(zhì)量雙黑洞作為星系并合的必然產(chǎn)物必定存在于星系中心。自從LIGO探測(cè)到恒星級(jí)黑洞并合產(chǎn)生的百赫茲引力波(gravitational waves，GWs)之后，天文學(xué)家正在大力開(kāi)展利用“脈沖星計(jì)時(shí)陣列”(Pulsar Timing Array，PTA)探測(cè)大質(zhì)量密近雙黑洞(Close binary of supermassive black holes，CB-SMBHs)納赫茲引力波(Nano-GWs)的觀測(cè)研究。然而，與LIGO探測(cè)模式完全不同，PTA探測(cè)和檢驗(yàn)面臨兩大困難有待突破：

(1)Nano-GWs隨機(jī)背景輻射探測(cè)已經(jīng)看到曙光，而探測(cè)單一CB-SMBH的Nano-GWs是一項(xiàng)有重大突破意義的物理課題，國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。但是，面臨的首要困難是如何證認(rèn)CB-SMBHs目標(biāo)。需要單獨(dú)搜尋和證認(rèn)出鄰近的雙黑洞，將盲搜變成有目標(biāo)性的搜尋。

(2)CB-SMBHs的軌道周期很長(zhǎng)，并合時(shí)標(biāo)更長(zhǎng)，PTA觀測(cè)只能得到Nano-GWs的波形片段，無(wú)法得到并合時(shí)期啁啾階段的波形變化。必須采用其他獨(dú)立的方法獲得軌道參數(shù)，才能檢驗(yàn)Nano-GWs的物理性質(zhì)。

我們已經(jīng)提出解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵方案：利用反響映射和VLTI的干涉觀測(cè)證認(rèn)出若干個(gè)CB-SMBHs^[10,11]，并測(cè)量它們的軌道參數(shù)，與國(guó)內(nèi)FAST-PTA以及國(guó)際上諸多PTA網(wǎng)絡(luò)一起探測(cè)才能檢驗(yàn)引力波的物理性質(zhì)。這也將推動(dòng)黑洞并合過(guò)程研究、星系并合及其演化研究。目前GRAVITY團(tuán)隊(duì)已將這個(gè)研究方案列為核心科學(xué)目標(biāo)(https://www.mpe.mpg.de/ir/gravityplus)，有望在未來(lái)五年內(nèi)獲得突破性進(jìn)展。

最后，簡(jiǎn)單介紹另一個(gè)熱門重大課題——超大質(zhì)量黑洞的形成問(wèn)題。理論上有兩類模型：(1)原初分子云的直接坍縮形成大質(zhì)量黑洞；(2)種子黑洞通過(guò)超愛(ài)丁頓吸積快速增長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞，而種子黑洞則由恒星級(jí)黑洞形成。值得注意的是，這兩種形成機(jī)制并沒(méi)有解釋超大質(zhì)量黑洞為何位于星系中心，否則，宇宙中應(yīng)該存在很多孤立的大質(zhì)量黑洞。回答這些重大問(wèn)題，全世界天文學(xué)家都等待著美國(guó)即將發(fā)射的James Webb空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)高紅移星系和類星體的觀測(cè)。

銀河系中心黑洞的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)和天文學(xué)中里程碑式的進(jìn)展，它極大地激勵(lì)了對(duì)超大質(zhì)量黑洞的研究興趣。首先，超大質(zhì)量黑洞作為星系的一部分如何與星系之間相互作用并對(duì)星系的演化起著極為關(guān)鍵的作用？第二，它作為宇宙學(xué)探針，將對(duì)丈量宇宙和膨脹歷史發(fā)揮關(guān)鍵作用，進(jìn)而對(duì)探測(cè)暗能量物理性質(zhì)起到重要的推動(dòng)作用；第三，作為引力波探測(cè)的下一次突破，引力波源及其納赫茲引力波的物理性質(zhì)均需要 GRAVITY/VLTI和反響映射獨(dú)立測(cè)量雙黑洞的軌道參數(shù)之后才能得到觀測(cè)檢驗(yàn)。人們熱切期待著引力波和宇宙學(xué)研究領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。