安德里亚·盖兹: 寻找超大质量黑洞

如何观察那些你看不见的东西？ 对于有兴趣寻找和研究黑洞的人来说， 这是个根本问题。 因为黑洞的引力极为强大， 任何物体 包括光线，都不能逃脱。 所以你不能直接看到它。

我今天要讲的黑洞 是关于一种特别的黑洞。 我的兴趣在于是否 存在一个特别巨大，我们称之为“超大质量黑洞” 的黑洞存在银河系中心。 感兴趣的原因是 这将给我们一个机会去证明 是否这些奇特的物体是否真的存在。 其次，这给我们一个机会 去了解这些特大质量黑洞是如何 与他们的环境进行互动， 以及它们是如何影响到 所处宇宙的形成和演化

言归正传， 首先，我们必须理解黑洞是什么， 这样我们才能理解黑洞存在的证据。 那么，黑洞是什么？ 从很多方面来说，黑洞是个简单到不可思议的物体， 它只有三个特征可以测量： 质量 角动量和电荷。 而我将只讨论质量。 从这个意义上来说，它是非常简单的物体。 但是，换个角度，它又是极其复杂的， 以至于我们需要相对来说比较奇特的物理学来描述， 在某种程度上还标识着我们对于宇宙的的物理认知的崩溃。 （）

如今，为了让你了解黑洞 了解黑洞存在的证据， 是把它看作一个 质量为零的物体 尽管我将和你们谈谈关于 超质量的物体 而对于这个物体，我将在后面进行阐述 它没有大小。 这有点棘手。

但幸运的是你可以看到有限的大小， 这被称为史瓦西半径 它命名于史瓦西 他发现了为什么这个半径是如此重要 这是一个虚拟的半径，而不是真实的；黑洞没有大小 那么，为什么这很重要呢？ 它重要是因为它告诉我们 任何物体都可以成为黑洞 这意味着你的邻居，你的手机， 还有礼堂都能成为黑洞 如果你能弄明白 如何把它压缩至史瓦西半径大小。

在这一点上，会发生什么？ 在这一点上，引力获胜。 引力胜过其他所有已知力量 物体被迫继续坍塌 成为一个奇点。 这就是黑洞。 如果把地球压缩至一块方糖大小， 地球就会成为一个黑洞 因为方糖的大小是它的史瓦西半径。

现在，关键是要弄清楚什么是史瓦西半径。 事实证明，这很容易算出来 它只依赖于物体的质量。 更大的物体有更大的是史瓦西半径。 更小的物体有更小的史瓦西半径。 因此，如果我把太阳 压缩至英国牛津大学的大小， 太阳会成为一个黑洞。

现在，我们知道了什么是史瓦希半径。 它实际上是一个相当有用的概念， 因为它不仅告诉我们 黑洞何时形成， 同时还带给我们黑洞存在证据的关键要素。 我只需要两件东西。 我需要了解物体的质量 我自称是一个黑洞， 以及其史瓦西半径。 由于质量决定史瓦西半径， 实际上只有一件事我需要知道。

因此，我的工作是说服你 那有一个黑洞， 表明有一些物体 仅限于其史瓦西半径· 而你要做的是对此表示怀疑。 好了，我要谈的不是常规黑洞； 我要谈论的是超大质量黑洞。

因此，我要说常规黑洞是什么 好像有这样一个可以作为常规黑洞的东西。 一个常规黑洞可以被看作是 大质量恒星生命的晚期。 因此，当一个恒星消亡 而这个恒星的质量远大于太阳 它将以爆炸结束生命 我们将会看到留下的超新星遗骸 在超新星遗骸的内部 形成一个小型黑洞 质量大概是太阳的3倍。 从天文学的角度来看 这是一个非常小的黑洞

现在，我想谈谈超大质量黑洞。 超大质量黑洞被认为位于星系中心。 这幅美丽的图片是哈勃太空望远镜拍摄的 展示了星系的所有形状和大小。 有大的，有小的。 几乎图片上的每一个物体都是一个星系。 有一个非常漂亮的螺旋臂在左上角。 有100亿颗恒星在那个星系中， 仅仅给你一种规模感。 我们从一个典型的星系中看到的所有光线， 是我们在这儿看到的星系中的一种， 来自恒星的光线。 我们看见星系是因为恒星的光。

有一些比较奇特的星系 我喜欢称这些星系为女主角， 因为它们特别愿意展示自己 我们称之为活跃星系核心。 我们之所以这样称呼是因为它们的核心， 或者它们的中心，非常活跃。 在中心位置， 大部分星光是从那发出的。 然而，事实上我们看到的是 无法用星光来解释的光 它比星光更有活力。 事实上，下面的例子中跟我们现在看的这些有些相似。 也是从中心喷射出。 如果你仅仅认为星系是由恒星组成的 那这股能量的来源就很难解释了。

人们认为 也许有超大质量黑洞 所以物质被吸引过去。 你不能看见黑洞本身， 但是你能将黑洞的引力 转换为我们能见的光。 因此，有一种想法就是 也许超大质量黑洞存在于星系的中心。 但这仅是一种间接论据。

尽管如此，这却带来了一种概念 也许不仅是这些主角 有超大质量黑洞 而是所有的星系中心 都有可能藏匿超大质量黑洞 如果是这种情况——这是一个常规星系的例子； 我们看到的是星光。 如果有超大质量黑洞， 我们需要假设的是它是一个正在节食的黑洞。 因为这是一种我们所见到的压制现象 在活跃星系的核心

如果我们要在星系中心找寻 这些隐藏的黑洞， 最好的地方就是我们所在的星系，银河系。 这是一张银河系中心的 大范围图片 我们看到的是线状的恒星系。 因为我们所在的星系 是一个扁平的，盘状结构的星系。 而且我们居住在中央，因此当我们看向中心， 我们把这个平面看成是星系的平面， 或者把这条线看成是星系的平面

研究我们自己的星系的优势是 在我们接触过的星系中心的实体中 这是距离我们最近的星系 我们的邻居星系距离我们则足有100倍的距离 因此，对我们自身所在星系的研究可以做到比其他任何一个星体 都更加透彻 就像我们马上就要谈到的 观察细节的能力对于我们这次实验至关重要

这样一来 宇航员如何才能证明一个相对小的空间内存在很大的质量呢 这正是我今天想要向大家展示的 我们将应用的工具就是 观测行星环绕黑洞的轨道 行星环绕的黑洞的轨道 与行星环绕太阳类似 是重心牵引力 使这些星体按照轨道运行 如果没有大质量的物体存在，这些星体都将四散而出 或者说至少运动的速率对大幅下降 这是因为，对它们如何运动起到决定性作用的是 它的轨道内部存在多少的物质

我们必须要清楚这一点，因为我的工作就是 证明一个小的空间内也存在大量的物质 因此，如果可以计算出它的运行速度，我便可以推断出质量 更进一 步，如果可以知道轨道的范围，我们就可以计算出其半径 这就是我希望可以尽可能选择 接近星系中心星体的原因 只有这样，我才能在尽可能小的空间内证实物质的存在 也就说明，我需要观测大量的细节数据 这就是我们为何采用世界上最大的望远镜 来做这个实验的原因

这是keck天文台，它拥有2台镜头有10米长的望远镜 差不多 是一个网球场直径的长度 这一点很赞 因为大型望远镜总是承诺 望远镜越大 我们能观察到越小的细节。 然而，我们却发现这些或现有的所有望远镜 都与预期的表现有所差距 这是因为大气环境 地球大气层对我们人类至关重要 它保证了生命的存在 但是对天文学家来说，它却是相对有挑战性的， 因为他们需要透过大气层来观测外部的世界

因此，为了让大家更好的理解 我用一个比喻 就像看一块小溪底的鹅卵石一样 在看河底的鹅卵石时 溪水不断流动 使得观察底部的鹅卵石变的很困难 同样的 正是因为大气层不停的流动 我们很难观测到清晰的外层

因此我花费了职业生涯中很长的时间来研究如何克服这一困难 来给大家带来一个更清晰的视野 这可以提高我们1／20的成功率 我认为我们大家都认同这一点 如果可以提高生活质量1／20的水平 那么整体的生活水平将获得很大的改善 拿薪水，或者你的孩子做个例子，你就会发现

这个动画展示了 自适应光学的应用例子 你可以看到一个动画呈现 一幅你只有不应用这个技术才可以看到的画面 换句话说，就是一幅星象图 这个方块位于整个星系的中心 也就是黑洞的所在 因此，如果没有这项技术，我们无法看到星体 应用这项技术我们可以突然的看到它们 这项技术在望远镜的光学系统中增加了一块反光镜 并通过这种原理进行工作 这将持续的改变你对大气层作用的看法 因此，这就像给你的望远镜带上一付花式眼镜

现在，接下的几幅幻灯片中，我们将主要观察 那个小方块 我们将集中观测方块内部的星体 尽管我们已经观察到了全部 我希望观测它们是如何运动的 这个的实验过程中 星体都运行了相当惊人的距离 我们做这个实验已经进行了15年 我们了解这些星体的运行轨迹

多数的天文学家都有自己最喜欢的一颗星 而我今天的最爱则是上边那棵标志着SO-2的星体 这棵星毫无疑问是我的最爱 这是因为它的运行周期是15年 为了表明这是一段极短的时间 我想说的是太阳需要200亿年才能环绕星系一周 我们以前所了解的尽可能的靠近星系中心的星体 需要500年来完成同样的环绕 然而这一颗星，可以在一个人的生命中就完成环绕 这也可以看成是另类的深邃吧

这一点是这次实验的关键 运行轨道能可以告诉我在一个短半径内究竟存在多少物质 因此，接下来我们将看一幅照片 它展示了在这个实验之前，我们能够 证实这个星系中心的物质的大小 我们之前所了解到的是有 超过太阳四亿倍的质量 我们可以看到，这个轨道内还有很多其它的东西 有很多的星体。 所以，对于星系中心存在着巨大黑洞的假设 也就存在了很多可能性, 因为你可以假设各种各样的物质的存在

但是通过这次实验 我们证明了在小一些空间的同样的物质 缩小了1万倍 正因为如此，我们才能看到 存在着一个巨型黑洞 究竟有多小 这是太阳系的大小 我们把4亿倍太阳物质 塞进这个小空间里

真相出现 我曾说过我的工作是要把它缩小到史瓦西半径的范围 但事实上，我还没有达到那个程度 但是我们目前为止已经没有其它更好的方法 来解释物质的聚集程度 事实上，这是我们目前所拥有的最好的证据 不仅因为我们星系中存在的巨大黑洞 在我们的整个宇宙也存在 下一步是什么呢 我曾经想过这一切都关于我们如何更好的应用现有的科技手段 因此让我们来继续这个问题

简而言之，我想说的是 这几个例子 代表着我们今天所能达到的水平 在星系的中心，现在我们确认 或者说至少我们相信 存在一个巨型黑洞 这次实验的有趣之处就在于 在我们测试 有关巨型黑洞位于星系中心的后果 的新想法时 基本上任何一个新想法 都没有局限在我们所能看到的 这就是乐趣所在

现在我将给出2个例子 你可以问 “你对那些很古老的星体，那些已经围绕星系中心很久的星体 有足够长的时间与黑洞产生互动的那些有什么预期。” 你所期望看到的是 那些古老的星体应该环绕在黑洞附近逐渐接近 你将可以看到黑洞附近聚集很多星体

相似的或者相反的，对于年轻的星体， 它们则不应该出现在那个地方 黑洞不会是恒星摇篮的好邻居 一个星体的形成需要大量的气体与尘埃的崩溃与聚合 它是一个非常脆弱的个体 黑洞在这起到什么作用呢 它可以将气云剥离 它对一面起到更大的拉力 从而把气云剥离 事实上 我们预测 星体的形成不应该在那种环境下发生

所以你不应看到年轻的星体 那么我们到底看到了什么 使用其它一些观察设施 我们可以发现年老或者年轻的星体 年长的星体呈现红色 而年轻的星体则是蓝色 至于黄色的星体，我们还未知 你应该也已经感到很吃惊了 年长的星体很少 却有着很多的年轻星体 这与我们的预测恰恰相反

这也是有趣的地方 事实上 这也是我们试图揭开的一个谜团 一个有关 我们如何可以解决这个完全相反的结论 所以实际上，我的硕士生们 正在夏威夷的天文观测站 进行观测 希望能我们可以很快的进入下一个阶段 那时我们将重新阐释这个问题 也就是为什么有这么多的年轻星体 而老年星体则如此稀少 为了进一步的研究 我们必须要观测运行轨道 那些更远星体的运行轨道 为了做到一点我们将会需要 更成熟的技术

因为事实上 当我说到我们正在针对地球大气层进行调节时 我们仅仅 更正差不多半数的错误 我们通过向大气层发射激光来做到这一点 同时 我们也认为 通过这种做法我们可以继续更正剩余的错误 这是我们希望将在接下来几年里完成的人物 更长的一段时间内 我们希望建成更大更精确的观测望远镜 因为在天文学里，大意味着好

我们希望可以建出一部30米天文望远镜 一旦实现 我们将通过它 更好的观测更近距离的星体 与此同时我们也可以 证实爱因斯坦的广义相对论 有关星系是如何形成的宇宙学的一些观点。 我们认为未来我们将做的实验 会非常的令人惊奇

作为结论 我将展示一个3D动画 呈现 这些轨道是如何移动的 我希望，哪怕没有任何别的 我至少成功的说服了你们 在星系的中心确实有一个巨型黑洞 这意味着这些物质的确存在在我们的宇宙中 我们必须要承认这一点 我们需要解释如何可以将那些物质引用到我们的物理世界

第二点 巨型黑洞之间 是如何产生影响的 如果可能的话 尽可能的理解它们在形成星系的过程中 所扮演的角色以及这过原理

最后 如果没有令人震惊的进展 使得科学前沿不断的进步 这一切的成就都不可能达成 我们认为这是一个不断快速发展的领域 未来的发展不可限量 非常感谢 (掌声)