安德烈Ghez: 找寻特大的黑洞

如何观察那些你看不见的东西？ 对于那些有兴趣寻找和研究黑洞的人来讲 这是一个很基本的问题 因为黑洞的引力 太大了 任何物体，甚至光都无法逃脱 所以你用肉眼根本看不见它。

我今天所要说的黑洞 非常特殊。 我很想知道 在我们这个星系是否存在一个巨大的 我们称之为“特大”的黑洞½ 有意思的是 这让我们有机会去证实 这些奇异的东西是否真正地存在。 再有这也为我们 了解这些特大质量的黑洞 如何与它们周围环境相互作用 以及了解它们如何影响 它们所处星系的形成和演化提供了很好的机会。

那么，首先 我们需要了解什么是黑洞 这样，我们才能找出黑洞存在的证据。 那么，何为黑洞？ 呃，从很多方面上讲，黑洞是一个相当简单的物体 因为只需三个特征就可以概括它：™ 质量 旋转和电荷 今天，我只讲它的质量。 从这个角度上来说，黑洞就简单了。 但从另外一个角度来讲，它又是相当的复杂 复杂到要用很奇特的物理学来描述它， 但这又在某种程度上说明了我们对宇宙的物理认识 很是有限。

但是，今天，我想让大家这样理解黑洞 因为我们要证明它的存在， 我门把它当作某个物体来看， 但是却没有体积。 所以现在我向大家介绍的是 质量特别大， 但是确切说又像是某个瞬间， 因为它没有具体的大小。 现在看来些滑稽了。

幸运的是，我们还有具体的大小可供参照的， 那就是施瓦西半径。 这是以发现 这个半径的重要性的人来命名的。 这并不是黑洞的实际半径，因为黑洞并无大小。 那为什么它如此重要 它的重要之处在于告诉我们 任何物体都可以变成黑洞。 也就是说你， 你的邻居，还有你的手机， 甚至这个听众席，都可能变成黑洞， 只要你能发现把物体压缩到 施瓦西半径的大小。

如果可以的话，很发生什么呢？ 此时，引力战胜了一切。 引力战胜了我们所知的其他所有的力量。 而物体本身也必须继续压缩 直至变得无限小。 这时黑洞就形成了。 所以如果我把地球压缩到方糖般大小 它就变成黑洞了， 因为方糖的大小就是地球的施瓦西半径的大小。

现在，关键就是要解决施瓦西半径到底是多大了。 其实在也很简单。 该半径取决于物体的质量。 物体大施瓦西半径就大 物体小相应地该半径也就小。 所以，如果我把太阳 压缩到和牛津大学一样大， 那么太阳就变成黑洞了。

现在我们知道施瓦西半径是什么了。 了解这个很重要， 它不仅告诉我们 何时形成黑洞， 同时也告诉我们找寻黑洞存在依据的关键 我只要知道两件事。 我需要知道物体的质量， 我要把它变为黑洞， 还有它的施瓦西半径。 因为物体的质量决定了它的施瓦西半径， 所以实际上我只需要一件事。

所以，我要你们相信 黑洞的存在 就只要提供一个 被压缩到施瓦西半径的物体就可以了。 而你们就今天就先保持自己的怀疑态度吧。 好，接下来我要讲的绝不是普通的黑洞； 我将要介绍的是超质量的黑洞

在此，我先说说什么是普通的黑洞， 我们先假定存在这样的黑洞。 普通黑洞被认为是 大恒星生命的终了状态。 因此，当一个恒星消亡 而这个恒星的质量又远大于太阳， 它将以爆炸结束生命 并留下我们见的那些漂亮的超新星残骸 在这些残骸之中 就会有个小黑洞 它的质量大约是太阳质量的三倍。 从天文学来看 这个黑洞算是小的了。

下面我要讲的是特大黑洞了。 据说这些黑洞存在于星系的中心位置。 这张图片是哈勃望远镜拍下的， 我们可以看到各种形状大小的星系。 有大的，也有小的。 这里面几乎每个可见物体都是星系。 看在左上角有个螺旋形 在那个星系里有一千亿的星星， 让大家有个大小的意识。 在某个星系我们见的光， 就是我们现在看的这些星系， 是来自恒星的光。 我们之所以能看见星系全是靠这些星星的光。

在这其中有不少相对来说奇怪的星系。 我习惯称它们为歌剧女王， 因为它们太能显摆了。 我们叫它们活跃星系核子。 因为它们的核子活跃异常， 还有中心位置处。 所以在中间那块 大部分星光都是从那发出的 但是我们看见的只能说是光 不能说是星光。 因为这比星光更活跃。 下面例子中跟我们现在看的这些有些相似。 这些都是从中间发出来的。 如果大家把星系认为是由星星组成的， 那这股能量就很难解释了。

人们原来想 或许是有特大的黑洞 物质才被吸引过去的。 我们看不见黑洞本身 但是我们却可以把它的这种引力 转换为我们所见的光来思考 所以有这么一种想法就是特大黑洞或许 存在于星系的中心处。 但这仅是提供了一种间接论据

但是，这却让我们有了这样一种想法 或许不仅是这些歌剧女王 有特大黑洞 可能所有的星系 在中心位置处都有特大黑洞 假如这样的话--这就是个普通的星系； 我们看见的是星光 假设存在这样的特大黑洞 那么这个黑洞肯定是在节食 因为这才能解释为什么在其它活跃星系核子的那股能量 在这却被压制住了。

如果我们想要在星系中心找寻 这些隐藏的黑洞 那么最好的地方就是在我们银河系寻找了。 这张图片 是银河系中心的大范围图片 我们可以看到星星排成的列队 因为我们这个星系 结构像扁平的磁盘形状 我们处在银河系的中心，所以如果我们看它的中心 我们把这个平面看成是银河的平面 或者把这条线看成是银河平面

研究我们自己星系的好处呢 就是这是我们能找的星系中心最近的例子了 因为离我们再近点的星系 是我们离银河系中心100倍的距离之外了 因而在我们这个星系我们可以把细节看的更清楚 在其它地方就不行了 一会大家就知道了，能够观察到细节 是实验的关键

那么天文学家怎样证明 体积小质量大的物质呢 今天我得给大家展示一下了 我们要用的工具就是观察 这些星星是怎样绕黑洞运行的 星星绕黑洞的运行轨迹 跟行星绕太阳的轨迹差不多 是引力 使得物体按轨道运行的 如果是没有中间的大物体这些物体肯定就飞脱出去了 至少是运行速度更慢 因为决定它们运行轨迹的是 轨道内含的质量大小

这下好了，记得吧我的任务就是说明 体积小质量大的情况吧 如果我知道物体的运行速度，我就可以知道它的质量了 还有如果我知道轨道大小就等于知道了轨道半径 现在我想看看那些 离星系中心越近越好的星星 因为我想在尽小的区域内演示大质量 也就是说我想尽可能地看清楚些 这就是为什么这次实验我们要用 世界上最大的望远镜了

这是凯克实验室，里面有两台望远镜 镜片有10米，这大约相当于 一个网球场的宽了 这下好极了 因为我们说过 望远镜越大 我们就越能看到细节 但结果是这些望远镜，或是说所有的望远镜 要达到我们的要求还是要战胜一点小困难 这就是我们的大气层了 大气对我们是有好处的；它使得我们 可以在地球上生存 这对天文学家们要想 透过大气层看到观察物是有些挑战性的

说的更形象一点 这就像看水底的 小鹅卵石 我们要看河底的鹅卵石 可是水流还是在不停地流动翻滚 这要看清水底的鹅卵石就不容易了 同样情况下 我们要看清观测物 可是大气却在不停地动着，这就有难度了

所以我的大部分工作时间都用在了 改造大气层以便可以清晰观察上。 这就很难了 我想大家都会相信 如果我们可以用®©来改善生活的话 估计我们早想出很多其它的方法了 比如您的薪水，或是孩子

这个动画实际上是我们 所用的一种技术，叫做自适应光学 从这个动画中我们可以看出 如果不用这种技术我们能看到的 我们能看到的就是一张有星星的图片 图中的聚焦是星系的中心 我们认为黑洞就在这里 不用这种技术我们就看不见星星 用了呢我们就可以看见了 技术本身是把一面镜子 嵌入望远镜的光学系统 这样镜子的变化就可以把大气的变化抵消掉了。 这就像是给望远镜装上了魔幻镜片

下面几张幻灯片我主要讲 这个小方块 我们就只看这个小方块里的星 虽然我们早就全看见了 我想看看这些东西是怎么动的 实验期间这些星星 移动了好大的距离 这个实验我们做了15年 星星一直都在动

大部分天文学家都有自己最喜欢的星 我今天要讲的星在那，标为SO-2的那个 这是我的最爱 这颗星运行到这才15年 为了说明这是多短的时间我给大家提供一个数据 太阳要运行到银河系的中央大约要20000万年的时间 之前我们看的那些星，就是离中心最近的 也要用500年 这颗只要人的一生的时间就可以了 这很重要

这是实验的关键。轨道可以告诉我们 小半径内到底藏了多大的质量 从这张图片中我们可以看出 我们可以把星系中心质量 限制到多大的范围内 之前我们认为在这个圆圈内 有太阳400万倍的质量 这个圈内还存在很多其它的物质 有很多星星 这样看来似乎 在星系中心有特大黑洞的猜想外还可以有不少其它的猜测 这可以填充的东西不少

但是这次实验中 我们已把同质量的物质压缩到了一个相对较小的体积 是原来的一万分之一 正因为这样，我们才能够 证明特大黑洞的存在 这有多小呢 这就跟我们的太阳系一般大小 所以现在我们是把400万倍于太阳质量的物体 缩小到这么大小

广告中的真相？ 之前说过我今天就是要把它缩到施瓦西半径 但实际上是我目前还没有办到 但是今天我们必须要 解释这个质量集合点 实际上这是目前为止我们 找寻星系中心黑洞存在的最好的依据了 甚至是找寻宇宙中任何一个 我在想下面讲什么呢 这跟我们今天讨论的技术一样 下面我们继续讲这个问题

简短地给大家介绍 几个例子 这会让人很兴奋的 在星系的中心，有 至少我们这么认为 一个特大的黑洞 这个实验有趣的是 我们已经试验过几个 有关黑洞推论的想法 当然了是在我们星系的中心处的黑洞 几乎每一个 跟我们见的是不一样的 这就有意思了

再给大家举两个例子 大家可能会问， “那些古老的星星呢，就是那些长久以来在星系中心的星” 它们跟黑洞可有足够的时间接触 你想的是 黑洞周围该有成群的星星绕在那 实际上那些古老的星星是在黑洞近处的

同样那些年轻的星，或者说，相反，那些年轻的星 就不该在那了 黑洞对那些恒星群可不怎么友好 一个气体和尘埃的大球崩溃后星星就形成了 这个实体可是很脆弱的 那么黑洞是干什么的呢 它能够把那个气体层剥去 并且黑洞在一侧的用力比另一侧大很多 这样这层云就被剥去了 实际上我们原来不认为星星能够在那中环境中形成

所以，你不会看见年轻的星星 看看这个 这些资料不是我之前给大家讲的 其实年老跟年轻的星星我们是可以分开的 年老的是红色的 年轻的是蓝色的，那些黄色的呢，我们也不知道 奇怪的事发生了 年老的星星并不多 有很多年轻的星星，这跟我们的预测可正好相反

有意思 这就是我们今天要解决的 神秘 怎样来解决这个矛盾 我的研究生 就在此刻 正在夏威夷的望远镜旁记录数据 希望我们可以我们可以做进一步的研究 那时我们就可以就这个问题 为什么有这么多的年轻的星 这么少的年老的星讲讲了 如果我们要有进展的话，我们需要看 更远处星的轨道 要是那样的话，我们就需要 比今天更精密的技术了

刚才我说我们在 矫正地球的大气层，但实际上 我们仅仅矫正了一半的不利因素 我们打一束激光到大气层 我们想如果我们 多打几束就可以把余下的也都矫正过来 接下来几年中希望我们可以做到 更长远一点呢 我们希望建造大点的望远镜 还记得吗在天文学中越大越好

所以我们想建一个30米的望远镜 有了这个望远镜我们就可以 离星系中心更近的星了 我们还希望可以验证 爱因斯坦广义相对论的某些理论 宇宙论中有关星系的形成方面的一些想法 所以未来的实验 还是很有意思的

最后，给大家看一个动画 主要是想给大家看 这些轨道在三维中是怎样变化的 我希望 大家如果不相信别的，那么起码今天 你该相信在星系的中心有特大黑洞了 也就是说宇宙中确实存在这些东西 这些我们必须接受，我们必须解释 怎样在我们的现实世界中得到这样的东西

其次，我们看了 这些特大黑洞之间的相互作用 或许我们就明白了这些黑洞 在星系的形成中扮演什么样的角色，以及它们是怎样起作用的

最后 所有这一切 如果没有科技前沿的巨大进步 就不会取得 我们相信这个领域正以飞快的速度前进 并且还有很大的发展空间 非常感谢 掌声