原創(chuàng) 張妙靜 厲光烈 現(xiàn)代物理知識雜志 今天
張妙靜1 厲光烈2
1 廣西師范大學；2 中國科學院高能物理研究所
2019年
皮布爾斯(James Peebles，1935~)因在物理宇宙學方面的理論貢獻和發(fā)現(xiàn)、麥耶(Michel Mayor，1942~)和奎洛茲(Didier Queloz，1966~)因首次發(fā)現(xiàn)一顆圍繞類日恒星運轉(zhuǎn)的系外行星，共同分享了2019 年度諾貝爾物理學獎：皮布爾斯得一半；麥耶和奎洛茲均分另一半。
圖9 從左至右：皮布爾斯、麥耶、奎洛茲
盡管，早在1966 年，彭齊亞斯和威爾遜就發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，并因此與卡皮查分享了1978年度諾貝爾物理學獎，后來，馬瑟和斯穆特又因發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體譜和各向異性分享2006 年度諾貝爾物理學獎；波爾馬特、斯密特和賴斯因觀測遙遠的Ia 型超新星進而發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹共同分享了2011 年度諾貝爾物理學獎，但是，使熱大爆炸宇宙學由伽莫夫等人的猜想變成現(xiàn)今的精確科學則應歸功于皮布爾斯為解讀宇宙起源和演化所做出的不懈努力：在過去的半個多世紀里，他在宇宙微波背景輻射(CMB)、宇宙大尺度結構的形成、暗物質(zhì)和暗能量等諸多方面都做出了重大貢獻，是現(xiàn)代宇宙學大廈的主要奠基者之一。
彭齊亞斯和威爾遜從皮爾布斯關于“大爆炸宇宙起源會留下射電噪聲殘余物”的理論預言中得到啟示，認識到：他們在實驗中所觀測到的，正是宇宙微波背景輻射。這里提到的理論預言，正是皮爾布斯對宇宙大爆炸后恒星、星系和星系團組成的宇宙大尺度結構的研究成果。這一研究還將宇宙年齡限制在130~150 億年。在美國麻省理工學院阿蘭·古斯提出宇宙暴脹理論，并與他的兩個同事：斯坦福大學安德烈·林德和俄羅斯科學院朗道理論物理所阿列克謝·斯托爾賓斯基共同榮獲2014 年天體物理學卡夫里獎之后，宇宙年齡更被精確定為138 億年。
另外，1974年，馬瑟提出了宇宙微波背景探測衛(wèi)星(COBE)計劃，并和斯穆特合作發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜和各向異性，他們的工作支持并完善了熱大爆炸宇宙學，使之可以自恰地描寫從宇宙極早期的量子漲落直到現(xiàn)今恒星、星系和星系團組成的宇宙大尺度結構；1998 年，波爾馬特、斯密特和賴斯通過觀測遙遠的Ia 型超新星進而發(fā)現(xiàn)了暗能量驅(qū)動的宇宙加速膨脹，隨后，威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)、Planck 衛(wèi)星等對微波背景輻射溫度漲落和偏振譜的精確測量、大尺度結構巡天觀測都有力地證實了宇宙加速膨脹和暗能量的存在，還定量地給出了暗能量在當今宇宙中所占的組分為72.50±0.16%，而由夸克和輕子組成的普通(重子)物質(zhì)只占4%，其余為暗物質(zhì)。因此，開展粒子物理和宇宙學的交叉研究：尋找暗物質(zhì)粒子，揭示暗能量本質(zhì)，探索宇宙起源及演化的奧秘，已經(jīng)成為21 世紀天文學和物理學發(fā)展的一個重要趨勢。
皮爾布斯的三部著作：《物理宇宙學》、《宇宙大尺度結構》和《物理宇宙學原理》影響了整整一代研究物理宇宙學的年輕學者。正是皮爾布斯和這一代年輕人完善了宇宙大爆炸模型，讓人類對宇宙起源和演化有了較為清晰的認知：我們的宇宙創(chuàng)生于大約138 億年前的一個來自時空奇點的大爆炸。它從極高溫度的混沌狀態(tài)開始演變，逐漸產(chǎn)生核子，然后經(jīng)過原初核合成產(chǎn)生氫和氦的原子核。大約38 萬年之后，宇宙中形成穩(wěn)定的中性氫原子與早期CMB。接著在原初密度漲落的影響下，逐漸演化出大尺度結構雛形。到了4 億歲時，宇宙中終于誕生了第一代恒星，而最早的星系和類星體則誕生于大爆炸后約十億年。之后，由星系和星系團等構成的宇宙大尺度結構開始形成。最終，我們的宇宙演化到當前由暗能量驅(qū)動的加速膨脹狀態(tài)。目前，宇宙熱大爆炸模型與粒子物理標準模型、地球表面板塊模型和生命科學DNA模型一起被公認為20 世紀科學發(fā)現(xiàn)的四大模型。雖然如此，宇宙熱大爆炸模型仍然只是一個模型，仍然存在許多有待探索的未解之謎：大爆炸奇點哪里來的？暴脹從何而始？暴脹之前會發(fā)生什么？以及暗物質(zhì)和暗能量究竟是什么？等等。因此，宇宙熱大爆炸模型仍然不能被視為描述宇宙起源和演化的終極理論。
1995 年10 月6 日，瑞士天文學家米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲在意大利佛羅倫薩舉行的一次天文學會議上宣布：他們在銀河系中觀測到了第一個太陽系外的行星正在圍繞一個類日恒星運動。這顆被證明環(huán)繞類日型恒星——飛馬座51 飛速移動的行星被命名為飛馬座51b，它距離地球50 光年，因極其靠近宿主恒星，其間距離只有800 萬千米，因此，公轉(zhuǎn)周期僅為4 天。恒星將行星加熱，溫度超過1000℃。相比之下，我們的地球，距離太陽1.5 億千米，公轉(zhuǎn)周期為1 年，溫度適宜人類生存。這顆新發(fā)現(xiàn)的行星，作為一個氣態(tài)球體，體型巨大，可與太陽系中的最大氣態(tài)行星：木星——其體積是地球的1300 倍，質(zhì)量是地球的300 倍——相比擬。根據(jù)早期有關行星形成的理論，木星體型的行星應該在遠離其宿主恒星的位置產(chǎn)生，并且需要很長的公轉(zhuǎn)周期。木星環(huán)繞太陽的一個周期大約需要12 年，所以飛馬座51b 的4 天環(huán)繞周期對尋找系外行星的天文學家是個超級意外。后來，美國天文學家保羅·巴特勒和杰弗里·馬西也將他們的望遠鏡轉(zhuǎn)向了飛馬座，也發(fā)現(xiàn)了51b 星，確認了麥耶和奎洛茲的發(fā)現(xiàn)。兩個月之后，他們又發(fā)現(xiàn)了兩個新的環(huán)繞類日型恒星的系外行星。行星短的環(huán)繞周期對于那些天文學家來說是非常便捷的，因為這意味著他們不需要花費幾個月甚至幾年來等行星環(huán)繞宿主恒星一個周期，而是在不到一個月的時間里便可觀測到行星環(huán)繞宿主恒星好幾圈。
早在1977 年，麥耶就已在位于法國馬賽東北100 千米處的上普羅旺斯天文臺望遠鏡上安裝了光譜儀，借助多普勒效應，通過觀測光譜線的藍移或紅移來發(fā)現(xiàn)被系外行星拖拽的宿主恒星的徑向運動：藍移，向著觀測者；紅移，遠離觀測者。但是，當時麥耶所用的光譜儀測量的恒星速度的下限約為300 米/秒，精度不夠，根本看不到系外行星拖拽它的宿主恒星。20 世紀90 年代早期，奎洛茲在日內(nèi)瓦大學開始了他的研究生涯，作為博士生的奎洛茲被要求開發(fā)新方法以進行更為精確的測量。他與同事們一起，利用了許多可以快速觀察大量恒星同時又能分析其結果的新技術，特別是數(shù)字圖像傳感器(CCD)，改進了光譜儀。順便指出，威拉德·博伊爾和喬治·史密斯因發(fā)明了半導體成像的電荷耦合器件(CCD)的圖像傳感器與在光在纖維中傳輸并將其用于光學通信方面取得突破性成就的高錕共同分享了2009 年度諾貝爾物理學獎。1994 年春，新的光譜儀完工時，其測量恒星運動速度的下限已降低到10-15 米/秒，距離系外行星的發(fā)現(xiàn)已非常接近。又花了數(shù)月完善他們的研究成果，1995 年10月，麥耶和奎洛茲終于向全世界宣布：他們搜尋到第一顆系外行星。
麥耶和奎洛茲的發(fā)現(xiàn)，改變了我們對世界的認識，進一步推動了天文學的發(fā)展。目前，發(fā)現(xiàn)的以各種形態(tài)存在的系外行星已經(jīng)超過4000 顆，它們與我們熟知的太陽系內(nèi)行星幾乎完全不同。這些發(fā)現(xiàn)，定將促使天文學家去創(chuàng)建描述行星形成的新理論。
2020年
彭羅斯(Roger Penrose，1931~)因發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對論的有力預測、根策爾(Reinhard Genzel，1952~) 和蓋茲(Andrea Ghez，1965~)因在銀河系中心發(fā)現(xiàn)一個超大質(zhì)量的致密天體，共同分享了2020 年度諾貝爾物理學獎：彭羅斯得一半；根策爾和蓋茲均分另一半。應當指出：蓋茲是繼居里夫人(1903)、梅耶(1963)和斯特里克蘭(2018)之后第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性。
圖10 從左至右：彭羅斯、根策爾、蓋茲
北京時間2019 年4 月10 日21 時，參與事件視界望遠鏡計劃的科學家公布了人類歷史上首張黑洞視界照片，于是，與黑洞的理論和觀測有關的研究定會獲得諾貝爾物理學獎成為大家的共識。但是，讓世人認識到黑洞的事件視界看起來就像一個環(huán)繞著由吸積或噴流輻射造成的如新月狀光環(huán)的圓形陰影的大名鼎鼎的霍金2018 年去世了，因此，與他合作過、對黑洞的理論研究同樣做出過重大貢獻的英國數(shù)學家彭羅斯，以及在銀河系中心發(fā)現(xiàn)一個超大質(zhì)量致密天體(即黑洞)的德國天文學家根策爾和美國天文學家蓋茲，榮獲了2020 年的諾貝爾物理學獎。
談到黑洞，就不能不提暗星：早在18 世紀，英國自然哲學家米歇爾，還有法國著名天文學家和數(shù)學家拉普拉斯等就曾討論過：一個具有與太陽同樣密度而直徑為太陽250倍的明亮天體，因它發(fā)射的光將被自身引力拉回而不能被我們看到，因此，它實際上是一顆暗星。拉普拉斯還把光假設成粒子，用萬有引力定律推導出與史瓦西后來通過求解愛因斯坦引力場方程得到的黑洞的史瓦西半徑公式一樣的暗星的半徑公式。但是，暗星與作為時空理論的廣義相對論所預言的黑洞并不是一回事。暗星，雖觀測不到，但它不是不能發(fā)射光，而是發(fā)射出的光會被自身強大的引力拉回。黑洞則不一樣，進入黑洞的物質(zhì)（包括光）是出不來的。
以史瓦西黑洞為例，有兩個特別的地方：一是事件視界，就是史瓦西半徑處的黑洞邊界，物質(zhì)(包括光)只要進入事件視界以內(nèi)，就別想出來了；另一是黑洞中心，那是一個密度無限大的奇點。愛因斯坦引力場方程的史瓦西解還告訴我們：在事件視界內(nèi)外，時空坐標互換，也就是說，在事件視界外面的空間坐標到了里面就變成了時間坐標，黑洞中心的奇點也就是時間的終點，于是，進入事件視界的物質(zhì)(包括光)都會奔向奇點，即足夠大質(zhì)量恒星引力塌縮必然導致黑洞及其中心的奇點。
關于黑洞的形成，具體地說，就是足夠大質(zhì)量恒星引力塌縮成黑洞后會不會出現(xiàn)奇點？許多科學家持懷疑的態(tài)度，他們認為，奇點的存在，可能是史瓦西在球?qū)ΨQ的條件下求解愛因斯坦引力場方程得到的理想結果。真實的恒星很可能是奇形怪狀的，其中各處的塌縮速度可以不一樣，因此，最終未必會塌縮成一個奇點。
彭羅斯的貢獻就在于，他用拓撲方法于1965年最先證明了，對于史瓦西黑洞，無需外加球?qū)ΨQ條件，即使候選恒星原來長得奇形怪狀，最終都會塌縮成一個奇點。1966 年，霍金在博士論文中把彭羅斯證明奇點存在的這個奇點定理推廣到了任意黑洞。
前面提到，黑洞中心的奇點是時間的終點，即時間結束的地方，那么，是否存在時間開始的地方呢？理論上，廣義相對論允許作為黑洞的時間反演的白洞的存在，如果把黑洞比喻為物質(zhì)的“陷阱”，那么白洞就是物質(zhì)的“噴泉”，白洞的中心應該就是時間開始的地方。1970 年，霍金和彭羅斯合作又寫了一篇論文，他們認為宇宙大爆炸就是開始于一個奇點，也就是說，宇宙大爆炸開始于一個白洞；他們還認為，在宇宙大爆炸初期會形成一些質(zhì)量很小的黑洞，但是，這個觀點至今尚未得到觀測驗證。
彭羅斯，雖然證明了黑洞的形成是廣義相對論在極端條件下仍然成立的有力證據(jù)，但是，黑洞內(nèi)部，特別是黑洞中心點的時空本性，仍然是未解之謎。目前，理論物理學家正在努力創(chuàng)建一套新的量子引力理論，以揭示黑洞中心點的時空奇性。
1963 年，荷蘭天文學家史密特發(fā)現(xiàn)了類星體。所謂類星體，就是看起來“類似恒星”的一類特殊天體，具體地講，就是銀河系外能量巨大的遙遠天體，其中心是猛烈吞噬周圍物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞。1969 年，英國劍橋大學的林登-貝爾將類星體解釋為超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)所發(fā)射出的輻射，并認為：絕大多數(shù)星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，為類星體建立了完善的理論；1971 年，他和他的同事里斯進一步指出，銀河系中心就可能有這樣的超大質(zhì)量黑洞，并提出了觀測方法。
大約100 年前，美國天文學家沙普利率先在人馬座的方向上確定了銀河系的中心。后來，天文學家在那里觀測到了一個強大的無線電波源，并將其標記為人馬座A*。到了20 世紀60 年代末，人們發(fā)現(xiàn)，人馬座A*占據(jù)了銀河系的中心，銀河系幾乎所有的恒星都圍繞著它。但是，直到20 世紀90 年代，包括根策爾和蓋茲在內(nèi)的天文學家才用更大的望遠鏡和更好的設備對人馬座A*進行更為系統(tǒng)的研究。根策爾小組使用的是歐洲南方天文臺位于智利的兩臺望遠鏡：先用的是拉西拉山上的新技術望遠鏡(NTT)，后來，轉(zhuǎn)移到帕瑞納山脈，用的是甚大望遠鏡(VLT)；蓋茲小組使用的是位于夏威夷冒納凱阿山上的凱克(Keck)望遠鏡，這是目前世界上口徑(10m)最大的光學/近紅外線望遠鏡,由36 個六邊形鏡片以蜂窩狀組合而成，可以分別控制這些鏡片來更好地聚焦星光。
近30 年來，這兩個組不斷開發(fā)和完善相關技術，并配備了更加靈敏的數(shù)字光傳感器和更好的自適應光學器件，使圖像分辨率提高了千倍以上，他們對銀河系中心氣體、塵埃與恒星混雜的環(huán)境中眾多明亮的恒星進行了跟蹤、觀測，結果發(fā)現(xiàn)，這些恒星在距中心一光月半徑內(nèi)移動最快，就像一群蜜蜂一樣，而在該區(qū)域之外的恒星則以有序的方式遵循其橢圓形軌道運行。他們特別關注一個被根策爾小組和蓋茲小組分別標記為S2 和S02 的引人注目的恒星，這個恒星圍繞銀河系中心人馬座A*的周期只有16 年(太陽的周期是2 億年)，它的軌道是很扁的橢圓。2002 年春，他們觀測到S2(S02)距離星系中心17 光年，兩個小組的觀測結果符合得非常好，因此，得出結論：在銀河系的中心，確實存在一個黑洞，其質(zhì)量大約為4 百萬倍太陽質(zhì)量，所占據(jù)的體積和太陽系大小相當，而S2(S02)距離星系中心的17光年則是黑洞的史瓦西半徑的1400 倍。他們在同一個位置觀測到的近紅外和X射線耀斑則被認為是黑洞吸積物質(zhì)所發(fā)射出的輻射。2008 年，這兩個組分別在會議上公布了這一重要發(fā)現(xiàn)。同年，根策爾榮獲邵逸夫獎天文學獎。
順便指出，早在1783 年，米歇爾就曾提出，暗星(即黑洞)周圍應該有著許多明亮的星體繞其旋轉(zhuǎn)，如果人們跟隨這些星體的軌跡，就能夠找到黑洞。根策爾與蓋茲的發(fā)現(xiàn)應用的正是這一古老的思路。人類歷史上首張黑洞視界照片公布之后，人們正期待著直接觀測銀河系中心人馬座A*的黑洞。
根策爾與蓋茲的開創(chuàng)性工作為廣義相對論及其預測提供了新一代精確檢驗，他們的觀測也很有可能為新的量子引力理論提供線索，宇宙仍有很多奧秘與驚喜等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。（完）
本文選自《現(xiàn)代物理知識》2021年第1期 YWA摘編
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