从广义相对论到引力波：人类真的“看见”黑洞了吗？

Daphane

来源：Science


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问题。我们可以将黑洞想象成由大质量恒星燃烧并坍缩而成的一个无限小的点，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研究生，他用铅笔、纸和爱因斯坦的引力理论——广义相对论——对这个问题进行了分析。他发现，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。他表示，这是一个非常有意思的问题，但直到5年前，对这个问题的研究还是完全抽象的。
　　2016年2月，研究人员第一次报道了用激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到的引力波信号。根据计算，该引力波源自两个相互环绕、逐渐靠近的黑洞，它们距离地球约13亿光年，质量分别约为太阳的29倍和36倍。LIGO甚至能探测到双黑洞系统合并为更大黑洞之后的“铃宕”（ring down，又称“拖尾波形”）阶段，相当于合并过程产生的扰动。据估计，它们合并形成的黑洞质量约为太阳的62倍，有约3倍太阳质量的能量在不到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论文突然间变成了前沿物理学。


在对黑洞的一个模拟中，强大的引力扭曲了它周围高温发光的气体吸积盘


　　虽然听起来很不可思议，但科学家们现在已经可以将黑洞当作真实物体来研究了。自LIGO的突破性发现以来，引力波探测器已经发现了40多个黑洞合并事件。2019年4月，一个名为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称EHT）的国际合作项目拍摄了第一张黑洞图像。EHT结合了世界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。研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质量黑洞“阴影”的炽热气体环。与此同时，天文学家也在追踪那些快速接近银河系中心黑洞的恒星，这些恒星的轨迹可能为揭示黑洞本身的性质提供线索。
　　在天体物理学家看来，这些观测结果已经挑战了关于黑洞如何形成，以及它们如何影响周围环境的假设。研究人员通过对室女座干涉仪（Virgo，位于意大利）的数据分析表明，此前LIGO所探测到的一些较小黑洞可能比预期的更重、更多样。这使得天体物理学家更难以理解可能形成这些黑洞的大质量恒星。在我们的银河系中，超大质量黑洞周围的环境似乎出奇的“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问题：我们是否真的看到了爱因斯坦理论所预测的黑洞？


广义相对论对黑洞是什么，以及它们会如何出现做出了非常具体的预测


　　一些理论物理学家表示，答案很可能是平淡无奇的“是”。美国芝加哥大学的引力理论学家罗伯特·沃尔德说：“从这些结果中，我不认为我们能学到更多关于广义相对论或黑洞理论的东西。”但其他人并不这么认为。“真实的黑洞与广义相对论中预测的黑洞是完全一样，还是两种截然不同的事物？”佛罗里达大学的引力理论学家克利福德·威尔说，“这将是未来观测的重点。”任何反常现象都要求对爱因斯坦的理论进行重新思考。物理学家怀疑，爱因斯坦的理论并不是引力的最终定论，因为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·盖兹表示，对于黑洞，研究人员已经通过多种手段获得了不同而互补的观点。盖兹因推测银河系中心存在超大质量黑洞而获得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，拥有质量并能够旋转；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殊的区域。
　　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、使大质量物体相互吸引的力。爱因斯坦的观点更深一层，他认为引力的产生是因为恒星和行星等质量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不同。牛顿预测行星应该以稳定的椭圆轨道围绕其恒星运行；广义相对论则预测每个轨道会在运行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解释水星轨道的岁差，此前古典力学所预测的数值与水星近日点的进动并不吻合，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·奥本海默及其同事计算出，当一颗质量足够大的恒星燃烧殆尽时，任何已知的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部分隔绝，这就是所谓的“事件视界”。事件视界并不是一个物理表面，掉入其中的宇航员（如果可能的话）并不会看到什么特别的现象。芬克尔斯坦在2016年1月24日去世，就在LIGO宣布探测到引力波的前几天；他留下了一个推论：事件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。
　　根据广义相对论，这些物体——最终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·克尔计算出了一定质量的旋转黑洞会如何扭曲时空。其他研究者很快证明，在广义相对论中，质量和自旋是黑洞能够拥有的两个基本特征，这意味着克尔的数学公式，即“克尔度规”（Kerr metric），可以描述宇宙中存在的每一个黑洞。惠勒将这一结果称为“无毛定理”（no-hair theorem），以强调两个质量和自旋相同的黑洞就像秃头一样难以区分。图科斯基指出，惠勒本人就是秃头，“这大概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·卡罗尔表示，一些物理学家怀疑黑洞可能并不存在，只是理论家们的想象之物。这些怀疑论者认为，黑洞可能只是广义相对论精妙数学体系的人工产物，或者只可能在非现实的条件下形成，比如一个完美球形恒星的坍缩。然而，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，他也因此分享了2020年的诺贝尔物理学奖。卡罗尔说：“彭罗斯准确地证明了，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，当足够大的质量探索时，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？观测物理学家们现在已经有了可能找到答案的工具：
　　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。 拍摄图像。超大质量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件视界而不是物理表面，并验证黑洞是否只有质量和自旋两个基本特征
　　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，通过对引力波信号的观测，可以揭示这些黑洞是否真的是物质实体。如果合并后的黑洞以主频和泛频的方式振荡，就能验证它的基本属性是否只有质量和自旋。
　　很快，天文学家开始探测到黑洞存在的迹象。他们发现了围绕恒星运行的微小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射线来自于从恒星流出的气体，当它落到某个神秘的物体上时，温度会不断升高。气体温度和轨道细节表明，这个X射线源的质量过于巨大，能量范围又极其小，因此除了黑洞以外不可能是其他任何东西。类似的推理表明，遥远的类星体——能辐射巨大能量的活动星系核——也是由其中心的超大质量黑洞提供能量的。
　　美国亚利桑那大学的天体物理学家费娅尔·奥泽尔指出，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。“我们到目前为止所取得的发现，很少能确定事件视界的存在，”她说，“这是一个悬而未决的问题。”
　　现在，通过多种观察黑洞的方法，科学家们可以开始检验他们对黑洞的理解，寻找可能彻底改变物理学的新发现。“尽管这种可能性非常小，但如果我们能发现任何偏离广义相对论预测的结果，那将具有非常重要的意义，”卡罗尔说，“这是一个高风险、高回报的问题。”
　　对黑洞的观测
　　科学家希望回答三个很具体的问题：我们观测到的黑洞真的有事件视界吗？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？
　　也许回答这些问题最简单的工具就是安德烈娅·盖兹所开发的工具。自1995年以来，她和同事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质量约为太阳400万倍的物体运行。由于人马座A*在如此小的体积中容纳了如此多的质量，按照广义相对论的预测，它一定是一个超大质量黑洞。马克斯·普朗克地外物理研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，大部分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。盖兹及其同事试图从极其复杂的数据中找出这一进动效应。“我们已经非常接近，”盖兹说，“我们发现了一个信号，但仍在说服自己它是真实的。”2020年4月，根策尔团队取得了一个重大发现：多年观察表明，S02恒星的轨道并没有保持静止，而是缓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运行轨迹。
　　如果运气好的话，盖兹和根策尔等研究者有望找到其他的异常现象，以最终确定超大质量黑洞的本质。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·克尔的数学描述来预测。克利福德·威尔说：“如果有恒星比已经观察到的（黑洞附近）恒星距离更近——比如近10倍——那就可以检验克尔度规是否完全正确。”
　　恒星追踪技术可能永远无法探测到非常接近人马座A*事件视界的地方。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，事件视界望远镜（EHT）结合了来自世界各地11台射电望远镜或阵列的数据，构成了一台庞大的虚拟望远镜，能对另一个超大质量黑洞进行近距离观察。这个位于室女A星系中的庞然大物拥有65亿倍太阳质量。


在这张由事件视界望远镜（EHT）合作项目拍摄的标志性图像中，超大质量黑洞在周围气体的辉光中投射出一个黑色的圆形“阴影”


　　两年前，EHT团队发布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，图像中蕴含的内容要复杂得多。明亮的光环来自高温气体，其包围的黑色部分并不是黑洞本身；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”。不过，阴影的边缘并不是事件视界的边界，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质量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件视界。费娅尔·奥泽尔解释称，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（到目前为止，研究人员还没有发现光谱扭曲）。阴影的形状也可以检验黑洞的经典图像，即一个自旋黑洞的事件视界应该在赤道处凸出。然而，广义相对论中的其他效应可能会抵消阴影的这一效应。“由于不同方向的挤压被非常怪异地抵消了，阴影看起来仍然是圆形的，”奥泽尔说，“这就是为什么阴影的形状可以直接验证无毛定理的原因。”
　　一些研究者质疑EHT能否以足够的精度获得黑洞图像，以进行这些验证。塞缪尔·格拉拉是亚利桑那大学的理论物理学家，他怀疑EHT可能并没有“看到”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。如果是这样的话，图中央的黑点就仅仅是一场天体物理飓风的风眼。但奥泽尔表示，即使分辨率有限，EHT依然对验证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。目前，在LIGO和Virgo已经探测到的黑洞合并事件中，黑洞的质量从太阳的3倍到86倍不等。
　　弗兰克·欧姆是一位引力理论学家，同时也是马克斯·普朗克引力物理研究所的LIGO团队成员。他表示，通过这些合并事件，我们可以以多种方式探测黑洞。假设这些都是经典黑洞，研究人员就可以根据广义相对论计算出合并产生的引力波啁啾信号是如何加速，如何达到峰值，又是如何减弱的。如果这些大质量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，从而改变信号的峰值。到目前为止，研究人员没有发现任何这样的变化。
　　这种合并也产生了一个受扰动的黑洞，就像图科斯基早期理论中所描述的那样，而这就为验证广义相对论提供了另一个途径。合并后的黑洞会出现短暂而强烈的振荡，呈现为一个主频和多个较短的泛频。根据无毛定理，这些频率及其持续时间只取决于最终黑洞的质量和自旋。弗兰克·欧姆说：“当你单独分析每一种模式时，它们都必须指向相同的黑洞质量和自旋，否则就会出现问题。”
　　2019年9月，图科斯基及其同事在一次信号特别强烈的合并事件中，找出了主频和一个泛频。对此弗兰克·欧姆表示，如果实验者能够提高探测器的灵敏度，他们或许能发现两到三个泛频，从而足够对无毛定理进行验证。
　　未来的黑洞研究
　　未来的探测仪器可能会使这类验证变得更容易。安德烈娅·盖兹表示，正在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，可以更仔细地观察人马座A*附近的区域，并可能探测到距离该黑洞更近的恒星。类似地，EHT的研究人员也在他们的网络中加入了更多的射电望远镜阵列，这将使他们能更精确地拍摄室女A星系中心黑洞的图像。另一方面，他们也在尝试观测人马座A*并成像。
与此同时，引力波研究者已经着手开发下一代更灵敏的探测器，包括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·尤尼斯表示，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，发现一个普通的恒星质量黑洞螺旋式靠近一个超大质量黑洞，并最终与之合并的过程。
　　较小的黑洞可以作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。尤尼斯指出，一个肯定的结果将巩固广义相对论对黑洞的预言，“但你必须等待LISA的进展”。
　　与此同时，黑洞在突然之间变得可以观测的事实已经改变了引力物理学家的生活。广义相对论和黑洞曾经只存在于思维实验中，或者只能像图科斯基那样进行优雅而抽象的计算，现在却突然成为基础物理学中最热门的领域。为了验证广义相对论，科学家们设计了需要投入高达数十亿美元的实验。“我真切感觉到了这种转变，”弗兰克·欧姆说，“这是一个非常小的圈子，但随着引力波的探测，一切都改变了。”