(中国科学院高能物理研究所)
本文选自《物理》2021年第1期
择要2020年度诺贝尔物理学奖颁发给为黑洞和超大质量致密天体做出突出贡献的三位科学家，他们分别从理论和不雅观测上供应了令人信服的证明和证据。他们的事情打开了理解宇宙中大质量天体命运的窗口。人们普遍相信超大质量黑洞存在于每一个星系的中央，是这些黑洞照亮了再电离期间的宇宙，也是它们为揭开宇宙膨胀历史、暗能量宇宙蜕变性子、纳赫兹低频引力波等诸多谜团供应了十分强大的工具。估量未来5年内，反响映射和GRAVITY/VLTI联合不雅观测将在以黑洞研究为支撑的领域取得重大进展。
关键词黑洞，活动星系核，类星体，引力波
2020年10月6日瑞典诺贝尔奖委员会宣告，因对黑洞理论和大质量致密天体不雅观测研究，本年度物理学奖分别付与英国牛津大学罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)教授，德国马普地外物理研究所莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)教授和美国加州大学洛杉矶分校安德里亚·格兹(Andrea Ghez)教授(图1)。个中，彭罗斯教授证明了黑洞是广义相对论的一定结果，引力坍缩是大质量天体的一定命运；根泽尔教授和格兹教授在银河系中央创造超大质量致密天体(即银河系中央的超大质量黑洞)。新闻发布会上，诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德谈到，“今年获奖者的创造为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但这些奇特的物体仍旧提出了许多有待进一步解答的问题，并引发未来的研究”。物理学家和天文学家均认为获奖是实至名归。大质量黑洞研究正处于朝阳东升的初创阶段，关于它们如何形成与如何蜕变以及在宇宙蜕变中的主要浸染等重大问题的探索才刚刚拉开帷幕。
图1 2020年3位诺贝尔物理学奖得到者。左起：罗杰·彭罗斯，莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹
1 引 言
在爱因斯坦揭橥引力场方程不到半年的韶光，德国 Potsdam 天文台台长，正在第一次天下大战前哨的施瓦西(K. Schwarzschild)在战壕里求解了引力场方程，得到了第一个解析解，度规如下：
个中
为施瓦西半径，G为引力常数，c为光速，AU为日地间隔，大约为1.5×1013cm。度规中的第一项显示出了引力红移，第二项涌现奇点Rs。这个奇点是真实的吗？如此高的密度，这个大质量的物体在宇宙中是何种天体？萦绕在物理学家和天文学家头脑中的这一重大问题在20世纪60年代才有了打破性进展。施密特(M. Schmidt)于1963年创造了类星体，激起了彭罗斯对引力坍缩的浓厚兴趣，在1964年底证明了这个奇点是广义相对论的一定结果，即黑洞是大质量天体的一定命运[1]。然而，对类星体的物理理解却经历了20多年的韶光。在探索宇宙的道路上，对大质量黑洞的研究中充满了寻衅和艰辛。
美国天文学家赛弗特(K. Seyfert)最早把稳到某些星系的中央区域特殊亮。他首次拍摄了NGC4151等6个星系的核心光谱，被后人称为赛弗特星系，或者活动星系核。令人惊异的是，光谱被发射线主导而且谱线轮廓宽度高达每秒 6000 km，完备不同于恒星光谱。令人遗憾的是，这些结果并没有受到同行的重视。直到1958年 Chicago 大学 L. Woltjer 在他的博士论文里深刻地认识到，这些宽发射线所在的核心区域，一定被一个108 M⊙ 质量的强引力场束缚，才不至于土崩瓦解。这个深刻认识实在来自一个大略判断：如果这个每秒 6000 km 的速率对应于热运动速率，那么这个区域的温度将达到108 K 以上，所有的元素都将全部电离，这样就不可能看到发射线，因此，这个运动速率一定是非热运动。除了红移，NGC4151的光谱与类星体无异，这些物理思考已经非常靠近预言类星体的存在了，但是繁芜缭乱的天文征象遮挡了深层次的物理图像。
然而，类星体研究的第一个大问题是，它们红移的实质是什么？是宇宙学红移还是局部物理过程引起的红移？从1960年代开始，著名学者领导的两个学派坚持各自的学术不雅观点，进行了十分激烈的辩论。随着类星体样本数量增加，红移越来越高，红移的宇宙学起源在经历了20多年的辩论之后，逐渐成为科学界的共识。胜利属于具有敏锐聪慧的学者。在宇宙学起源的假设下，前苏联著名天体物理学家Y. Zel′dovich教授(苏联原子弹之父)和美国康奈尔大学E. Salpeter教授，在类星体创造之后不到一年的韶光里，各自独立地提出超大质量黑洞存在于星系中央，由于吸积周围气体开释出大量能量，形成类星体。这一大胆充满睿智的阐明奠定了类星体内部构造的基本框架，人类对能源机制的认识又从核能回到了引力能。如果赛弗特星系和类星体是由星系中央黑洞的吸积产生，在河外星系不雅观测启示下，一个自然的问题是银河系中央是否存在黑洞？根泽尔和格兹教授便是在此信念支持下，对银河系中央进行了长达30多年的不雅观测研究，从不雅观测上证明了超大质量黑洞的存在。这一里程碑式的进展，得到诺贝尔物理学奖是实至名归。
2 银河系中央大质量黑洞
虽然早在百年前哈佛大学 H. Shapley 教授就已经确定了银河系中央位置，但直到1960年代，射电天文不雅观测创造银河系中央区域的射电辐射很强后，才极大地促进了对银河系中央的大规模研究。然而，要精密检测这个区域的物理条件，首先须要战胜三大困难：(1)中央辐射区域具有很多气体和尘埃，因此消光和接管十分严重；(2)须要高空间分辨率的不雅观测设备，即大口径望远镜，特殊是物理目标集中在考验是否有大质量黑洞时，哀求空间分辨率高达毫角秒，只有 10 m 级望远镜才能实现；(3)地球大气扰动极大地限定了空间分辨率，必须采取自适应光学肃清或者极大减弱扰动效应之后，才能不雅观测中央区域的物质分布和时空。
不雅观测技能经历了大约三个阶段，使得空间分辨率达到了目前的10微角秒。(1)光斑干涉技能阶段：为了减弱大气扰动滋扰，不雅观测时掌握曝光韶光使之短于大气扰动时标，然后把图像叠加起来，可以有效减弱滋扰；(2)自适应技能运用阶段，使得恒星图像变得清楚足以丈量出恒星轨道；(3)光干涉阶段，丈量恒星轨道十分精确，并可以丈量恒星光谱的引力红移和轨道的施瓦西进动。天文学家制造了功能强大的终端仪器，马普地外物理所根泽尔团队研制了：8 m VLT+NACO(成像)+SINFONI(光谱)；加州大学洛杉矶分校格兹团队研制了：10 m Keck OSIRIS。三个阶段的技能不断提高，不断缩小丈量半径及其以内的质量，终极供应了足够证据表明超大质量黑洞的存在。
与之相应的不雅观测研究大致经历了5个紧张阶段：
(1) 研究初期，只能通过不雅观测中央气体动力学的方法进行。在1970年代美国伯克利团队创造银心气体的运动速率很快，高达 200 km/s，意味着大质量引力势的存在。这是大质量黑洞存在的最早证据。
(2)1990年后期，根泽尔团队利用欧洲南方天文台的 3.5 m 新技能望远镜(New Technology Telescope)不雅观测得到进展，虽然不能分辨单一恒星及其轨道，但是可以丈量中央区域内恒星速率弥散。他们创造中央恒星速率弥散知足v∝R-1/2，显然，这一不雅观测证明了大质量引力势的存在[2]。
(3)格兹团队利用10 m Keck望远镜通过光斑干涉技能分辨出银心存在多少个恒星[3]，并开始丈量恒星轨道。稍后几年，根泽尔团队不断缩小银河系中央半径范围，丈量了中央质量。
(4)从2000年 Keck 望远镜装置了自适应光学系统之后，大气扰动得到了极大改进，能够清晰分辨并丈量出恒星轨道。图2(a)，(b)显示恒星S2的轨道以及投影速率。其椭率大约是0.88，近心点为17光时，到地球的间隔为 8 kpc。从 1995 年开始直到2020年为止，已知周期最短(16年)的S2恒星在30年间大约经历了2个轨道周期，对轨道的精确丈量得到了精度在5%的可靠黑洞质量M= 4.3 ± 0.20 ± 0.30 × 106M⊙。随着空间分辨率的提高，分辨半径以内的天体质量不再发生变革(图2(c))。在能够空间分辨的最小半径内，即在125个日地间隔内的密度为5 × 1015M⊙·pc-3[4]。在已知的大尺度天体中，如此高的密度只能是黑洞，各种高密度的星团都会在很短的韶光内坍缩而变成黑洞。
图2 (a)周期最短的恒星S2轨道；(b)该恒星投影速率随轨道变革；(c)随着空间分辨率的提高，分辨半径以内的天体质量不再发生变革[4]
(5)经由5年韶光，2017年根泽尔团队花费大约8000万欧元成功研制出GRAVITY终端设备，并将其装置在欧洲南方天文台甚大望远镜干涉阵列(VLTI)上。短短的8个月后，在近心点处他们精确丈量了S2光谱的引力红移为6.7 × 10-4(相称于速率为200 km/s)[5]。更令人惊奇的是，GRAVITY团队还高精度地丈量了S2轨道的施瓦西进动速率：δϕ= 12′/周期[6]，比太阳系水星的施瓦西进动幅度 43″/世编年夜100倍。这两项不雅观测毫无争议地证明了黑洞的存在及其广义相对论效应。第5阶段的事情终极匆匆成了这个崇高名誉。特殊值得把稳的是，目前尚未确定银河系中央是否还有质量比低于 10-3 的小黑洞，是否组成一个引力束缚的双黑洞系统。如果存在，那么银河系中央就会变成空想的引力波实验室。时下有关理论研究是一个热点课题。目前马普所的天文学家们正在积极进一步提高仪器性能，以能够丈量出银河系中央黑洞的自转角动量，这样才能完全地描述黑洞的物理状态。
根泽尔和格兹在仪器设计和不雅观测方面均是里手里手，同时也都具有长期坚持不懈的专注品质，造就了本日辉煌的学术造诣，为大质量黑洞存在于宇宙之中供应了最为坚实的不雅观测根本。同时，超大质量黑洞作为星系的一部分，为研究星系的形成与蜕变、丈量宇宙和纳赫兹低频引力波打开了未来探测之门。
3 河外大质量黑洞
不同于丈量银河系中央，对活动星系核中黑洞质量地丈量相对要随意马虎。这是由于在黑洞周围存在宽线区，可以采取反响映射监测核区光谱变革，得到宽发射线和连续谱的光变曲线，丈量出两者的韶光延迟，它便是宽发射区的特色尺度。通过物理模型与不雅观测数据的详细拟合，可以得到高精度的黑洞质量。到目前为止，采取反响映射大约丈量了150个活动星系核的黑洞质量，仅占活动星系核总数的0.3%，大量研究事情有待完成。
首个亟待回答的问题是，银河系中央存在大质量黑洞这一结论是否适宜于所有星系？严格来说，这个问题至今并没有准确的回答。可以肯定的是，所有活动星系核中央都有至少一个黑洞(某些有双黑洞)，从它们占所有星系的比例和活动星系核蜕变的角度来看，大部分星系的核心该当都有一个大质量黑洞。其次，1998年，天文学家利用哈勃望远镜不雅观测附近星系，通过恒星动力学方法得到了大约30多个中央黑洞质量，惊奇地创造黑洞质量与星系核球质量成正比，比例因子大约为0。2%，也便是说，黑洞与星系核球存在共同增长。这是令人十分困惑的，由于从尺度上来说，两者相差8—9个量级，实现共同蜕变十分困难。这个中一定存在某种机制使得两者增长同步。但恒星形成与黑洞吸积之间存在107~108年的韶光延迟。黑洞活动的反馈机制是一种十分可能的过程，但是反馈机制的不雅观测研究却十分困难，尚缺少强烈的不雅观测证据。
事实上，河外星系中央的黑洞质量丈量精度很低，大约为 0.3 dex 旁边，相对偏差大约200%，依此得到的共同蜕变结论令人担心。这一粗糙的精度完备粉饰了共同蜕变的详细行为细节，例如恒星形成与黑洞活动之间存在一定的韶光延迟(107~108年)，两者之间是否存在因果关系？只有精度明显好于50%时，才会看到这些细节，如何高精度丈量黑洞质量是一项十分紧迫的任务。
4 丈量宇宙的新标尺
欧洲普朗克卫星高精度丈量了微波背景辐射，基于宇宙学标准模型可以得出哈勃常数最新丈量值H0= 67.4 ± 0.5 km s-1Mpc-1；与此同时，诺贝尔奖得到者里斯(A. Riess)等人利用传统造父变星和超新星等间隔阶梯工具得到的最新丈量值H0= 74.03 ± 1.42 kms-1Mpc-1。两者差异在4.4σ以上，被称为哈勃常数危急，如图3所示。能否建立一个独立于现有丈量工具的新方法？特殊是，几何丈量方法，在已知的宇宙学天体中，只有类星体和活动星系核是候选几何测距天体。干涉不雅观测可以丈量活动星系核宽线区角尺度(∆θ)，反响映射可以丈量其对应的线尺度(∆R)，几何方法直接给出间隔
欧洲南方天文台光学干涉阵列GRAVITY/VLTI首次空间分解了3C273的宽线区几何[7]，为实现几何测距奠定了根本。实际丈量时，该当考虑宽线区的空间分布模型，间隔和黑洞质量是个中的参数，完全拟合光变曲线和干涉旗子暗记，可以同时得到这两个最主要的参量。这套几何方法既不同于传统间隔阶梯工具，也不同于宇宙背景辐射丈量。中国科学院高能物理研究所王建民团队率先将几何方法成功运用于3C273，丈量出
，精度达到16%[8]。若能完成大约50个活动星系核样本的不雅观测，实现精度为1%—2%的哈勃常数丈量，将为办理日益尖锐的哈勃常数危急供应新路子[9]。图3显示了与1900年代“量子”观点出身的比拟，GRAVITY/VLTI及其下一代仪器GRAVITY+和反响映射不雅观测将直接丈量红移高达z= 2-3的类星体，有望实现丈量宇宙，揭开膨胀历史，为理解暗能量物理打开了一条“几何通道”。
图3 目前哈勃常数危急面临的寻衅，不免使人想起了1900年代黑体辐射研究中涌现的“紫外灾害”。从高移丈量哈勃常数与低红移传统方法完备不能吻合。黑体辐射函数的精确丈量催生了普朗克“量子”观点，只要哈勃常数得到足够精确丈量之后，一定揭开“暗能量”背后的新物理
5 大质量双黑洞和低频引力波
大质量双黑洞作为星系并合的一定产物必定存在于星系中央。自从LIGO探测到恒星级黑洞并合产生的百赫兹引力波(gravitational waves，GWs)之后，天文学家正在大力开展利用“脉冲星计时阵列”(Pulsar Timing Array，PTA)探测大质量密近双黑洞(Close binary of supermassive black holes，CB-SMBHs)纳赫兹引力波(Nano-GWs)的不雅观测研究。然而，与LIGO探测模式完备不同，PTA探测和考验面临两大困难有待打破：
(1)Nano-GWs随机背景辐射探测已经看到曙光，而探测单一CB-SMBH的Nano-GWs是一项有重大打破意义的物理课题，国际上竞争十分激烈。但是，面临的紧张困难是如何证认CB-SMBHs目标。须要单独征采和证认出临近的双黑洞，将盲搜变成有目标性的征采。
(2)CB-SMBHs的轨道周期很长，并合时标更长，PTA不雅观测只能得到Nano-GWs的波形片段，无法得到并合时期啁啾阶段的波形变革。必须采取其他独立的方法得到轨道参数，才能考验Nano-GWs的物理性子。
我们已经提出办理这些问题的关键方案：利用反响映射和VLTI的干涉不雅观测证认出多少个CB-SMBHs[10,11]，并丈量它们的轨道参数，与海内FAST-PTA以及国际上诸多PTA网络一起探测才能考验引力波的物理性子。这也将推动黑洞并合过程研究、星系并合及其蜕变研究。目前GRAVITY团队已将这个研究方案列为核心科学目标(https://www.mpe.mpg.de/ir/gravityplus)，有望在未来五年内得到打破性进展。
末了，大略先容另一个热门重大课题——超大质量黑洞的形成问题。理论上有两类模型：(1)原初分子云的直接坍缩形成大质量黑洞；(2)种子黑洞通过超爱丁顿吸积快速增长为超大质量黑洞，而种子黑洞则由恒星级黑洞形成。值得把稳的是，这两种形成机制并没有阐明超大质量黑洞为何位于星系中央，否则，宇宙中该当存在很多伶仃的大质量黑洞。回答这些重大问题，全天下天文学家都等待着美国即将发射的James Webb空间望远镜对高红移星系和类星体的不雅观测。
6 结论与展望
银河系中央黑洞的创造是物理学和天文学中里程碑式的进展，它极大地勉励了对超大质量黑洞的研究兴趣。首先，超大质量黑洞作为星系的一部分如何与星系之间相互浸染并对星系的蜕变起着极为关键的浸染？第二，它作为宇宙学探针，将对丈量宇宙和膨胀历史发挥关键浸染，进而对探测暗能量物理性子起到主要的推动浸染；第三，作为引力波探测的下一次打破，引力波源及其纳赫兹引力波的物理性子均须要 GRAVITY/VLTI和反响映射独立丈量双黑洞的轨道参数之后才能得到不雅观测考验。人们热切期待着引力波和宇宙学研究领域取得打破性进展。
参考文献
[1] Penrose R. Phys. Rev. Lett., 1965，14：57
[2] Eckart A，Genzel R. MNRAS，1997，284(3)：576
[3] Ghez A M，Klein B L，Morris M et al. ApJ, 1998，509：678
[4] Genzel R，Eisenhauer F，Gillessen S. Rev.Mod. Phys., 2010，82：3121
[5] Gravity collaboration. A&A, 2018，615：L15
[6] Gravity Collaboration. A&A, 2020，636：L5
[7] Gravity Collaboration. Nature，2018，563：657
[8] Wang J M，Songsheng Y Y，Li Y R et al. Nature Astronomy，
2020，4：517
[9] Songsheng Y Y, Li Y R, Du P et al. 2020, ApJS, submitted
[10] Wang J M，Songsheng Y Y, Li Y R et al. ApJ, 2018, 862：171
[11] Songsheng Y Y, Wang J M, Li Y R et al. ApJ, 2019, 881：140
来源： 中科院高能所
