Volume 3 Issue 4 will be published on Jul 12, 2022.   A Cell Press partner journal
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思想和自然的多重艺术:黑洞和银河系中心的超大质量致密天体

2020年诺贝尔物理学奖授予了Roger Penrose、Reinhard Genzel和Andrea Ghez的研究工作。Roger Penrose因预言黑洞形成的普遍性而获奖;Reinhard Genzel和Andrea Ghez在银河系中心发现超大质量致密天体而获奖。这些获奖工作是天文学、物理学、数学、技术和自然的多元艺术结晶。对它们的理解将涉及对人类认知黑洞这类神秘天体的历史回顾和现状总结,关乎引力和时空本质。天文学和技术的进步正使得揭开黑洞的神秘面纱和时空奥义成为可能。


2020年获诺贝尔物理学奖的工作涉及从理论的预言和自然的启示两个角度对黑洞这类天体的认知,可置于我们对宇宙中万物之存在性和普遍性、万物之形成和演化这些最基本问题的询答框架之中(图1)。奇点定理和银河系中心的超大质量致密天体的发现涉及对这一框架中部分问题的回答,对这一框架的整体认知还待完善。

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图1: 发现奇点定理和银河系中心的超大质量致密天体的相关背景和框架。


Schwarzschild、Kerr等前辈们基于爱因斯坦的广义相对论已预言了黑洞的存在,但是是建立在系统具有高度对称性的假设之上,黑洞在现实世界中能否形成并不确定。

Roger Penrose发现的奇点定理在假设上不受限于系统的对称性,将黑洞的存在性推广为形成黑洞的普遍性,为现实世界中黑洞的真实存在提供了理论基石。

银河系中心的超大质量致密天体是自然带给我们对黑洞现实存在的启示,它的致密性(观测限制的质量密度下限)无法用目前已知的其它天体/系统来解释。

Penrose的奇点定理触及黑洞奇点形成的一个重要方面,其在真实宇宙中的形成过程和形成条件的必要性还有待进一步揭示。宇宙中近邻星系中心的超大质量致密天体存在的普遍性已得到观测的强力支持,并已表明它们是类星体的遗迹。仅银河系中心的超大质量致密天体的个例还无法描述这类天体演化的完整图像,未来的大样本统计研究将会揭示超大质量致密天体/黑洞的演化。星系中心超大质量黑洞存在的普遍性和星系的并合,则引出对星系中心是否存在两个超大质量黑洞的询问,进而对双黑洞存在的普遍性和演化问题的追寻。


回答自然界中星系中心超大质量致密天体与数学物理理论中的黑洞之间的关联或是否相容,将是通向理解引力和时空本质的道路。超大质量致密天体周围的时空结构是什么?“奇点”真的存在吗?数学中的“存在”真的存在于自然界吗?


2020年诺贝尔物理学奖的获奖工作在理解宇宙中这类神秘天体而采用的方法、工作风格和视角是多样的。天文观测的发现彰显着数学物理理论的灵动,并促进着数学物理理论的发展;数学物理理论的预言激发着天文观测的推进,为观测发现提供目标或灵魂。个体工作和团队协作/竞争都推动着我们对引力和时空的理解。在时空本质的探索之路上,我们有幸能够有机会欣赏逻辑和自然的多重艺术,欣赏前进过程中的每一次突破。


总结和展望

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Roger Penrose预言了黑洞形成的普遍性;Reinhard Genzel和Andrea Ghez在银河系中心发现超大质量致密天体。银河系中心的超大质量致密天体很可能就是广义相对论预言的黑洞。然而,现实世界中奇点和事件视界不可直接探测;这导致将星系中心超大质量致密天体与彭罗斯奇点定理中的黑洞直接关联的关键环节缺失。填补这一缺失的过程将引领人们理解引力和时空本质


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675820300667




作者简介


于清娟,北京大学科维理天文与天体物理研究所和物理学院天文学系教授,主要从事黑洞、引力波天体物理、星系和动力学的研究工作。2002年博士毕业于美国普林斯顿大学天体物理科学系,之后曾在加拿大理论天体物理研究所、美国加州大学伯克利分校和圣克鲁兹分校工作,自2008年担任北京大学科维理天文与天体物理研究所和物理学院天文学系教授。


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