TED演講：諾貝爾獎得主談尋找超大質量黑洞

2020年諾貝爾物理學獎揭曉！！！

獲獎的三位物理學家分別是：英國物理學家Roger Penrose、德國天體物理學家Reinhard Genzel、美國天文學家Andrea Ghez，表彰他們在

黑洞

方面的研究貢獻。

其中，

Andrea Ghez

是歷史上第四位獲得諾貝爾物理學獎的女性！來看看她在2009年的TEDGlobal大會上的演講——

尋找超大質量黑洞

如何觀察那些你看不見的東西？

對於有興趣尋找和研究黑洞的人來說，這是個根本問題。因為

黑洞的引力極為強大，任何物體包括光線，都不能逃脫

。所以你不能直接看到它。

我今天要談的是一種特殊的黑洞。我想要知道在我們的銀河中心，是否有所謂的 “超大質量黑洞” 存在。這很有趣，因為我們有機會可以證明這些奇特的物體是否真的存在。其次，這給我們一個機會去了解這些特大質量黑洞是如何與它們的環境進行互動，以及如何影響到它們所處星系的形成和演化。

首先，我們必須先理解黑洞是什麼，這樣我們才能理解黑洞存在的證據。

黑洞是什麼？

從很多方面來說，黑洞是個簡單到不可思議的物體，因為能夠用來描述黑洞的特徵只有三項：質量、角動量和電荷。而我將只討論質量。從這個意義上來說，它是非常簡單的物體。

但在另一方面，它又是非常複雜的物體，我們需要用很奇特的物理才能描述它，且在某種意義上，它打破了我們對宇宙的物理認知。

為了讓你瞭解黑洞存在的證據，我要你們把它想像成一個物體，一個質量為零的物體。我馬上就會解釋這一點，雖然我要跟大家談的是超大質量的物體，但它沒有大小。這有點棘手。

但幸運的是，有種大小限制是我們看得見的，那就是我們所知的“

史瓦西半徑

”。史瓦西是發現這個半徑有多重要的人。

這個半徑是虛擬的

，不是真實的；黑洞沒有大小。那麼，為什麼這很重要呢？因為這告訴我們，任何物體都能夠變成黑洞。你、你的鄰居、你的手機、觀眾席都可能變成黑洞，只要你能把它壓縮到史瓦西半徑的大小。

那時候就會怎樣？那時候引力就贏了。引力會勝過所有其他已知的力。因此，物體被迫持續塌陷，成為無限小的物體。接著，就成了黑洞。所以，如果我把地球壓縮到方糖的大小，它就會變成黑洞，因為方糖的大小就是地球的“史瓦西半徑”。

這裡的關鍵在於，弄清楚史瓦西半徑是多少。事實證明，這很容易算出來。史瓦西半徑只和物體的質量有關。較大的物體，史瓦西半徑也較大。較小的物體，史瓦西半徑也較小。如果我把太陽壓縮到牛津大學的尺寸，太陽就會變成黑洞。

現在我們知道史瓦西半徑是什麼了。它其實是個很有用的概念，因為它不僅能告訴我們黑洞何時會形成，也給了我們證明黑洞存在的關鍵元素。對於宣稱是黑洞的物體，我只需要知道兩樣東西：它的質量，還有它的史瓦西半徑。因為史瓦西半徑是由質量來決定，其實我只需要知道一樣即可。

因此，我若要說服你有個黑洞存在，我就得證明有某個物體被侷限在它的史瓦西半徑中。在座各位大可以用懷疑的態度來檢驗。

我要談的不是普通的黑洞，而是超大質量黑洞。

我想先簡單說一下，普通黑洞是什麼。這麼說好像黑洞可以很“普通”一樣。一般認為，

大質量的恆星在死亡後的狀態就是“普通黑洞”

。如果有一個恆星在生命之初的質量就比太陽大很多，它將以爆炸結束生命，並留下這些美麗的超級新星殘骸。在這些超級新星殘骸中，會有一個小型黑洞，質量大約是太陽的三倍。從天文學的角度來看，這個黑洞算非常小。

現在，我想要談的是超大質量黑洞。一般認為超大質量黑洞位於星系的中心。這張用哈伯太空望遠鏡拍攝的美麗照片，讓我們看到各種形狀、大小的星系。有大的、有小的，幾乎圖片上的每一個物體都是一個星系。

為了讓你對規模有個概念：左上角有個漂亮的螺旋，那是

一個有千億個天體的星系

。而我們在一個典型星系裡看到的所有光線，都來自恆星。我們能看見星系是因為恆星的光。

有一些比較奇特的星系，我喜歡稱它們為星系裡的“女主角”，因為它們特別愛現。我們稱之為

活躍星系核

。會這麼稱呼是因為它們的核，或者說是它們的中心，非常活躍。

其實大部分星光是從中心發出的。但，我們看到的光，其實無法用星光來解釋。這些光的能量更強。事實上，在少數例子中，就像這例看到的這些，從中心還會有噴出物。如果你僅僅認為星系是由恆星組成的，那這股能量的來源就很難解釋了。

所以有人認為，也許有超大質量黑洞在那裡，物質會被吸引過去。你無法看見黑洞本身，但你能把黑洞的引力轉換成為可見光。因此，有一種想法是，也許超大質量黑洞存在於星系的中心。但這僅是一種間接論據。

儘管如此，這卻帶出了一個想法：也許不是隻有這些“女主角”才有超大質量黑洞，而是所有的星系在中心處，都有這種超大質量黑洞。如果真是這樣。。。這個例子是正常的星系，我們看見的光都是星光。若有個超大質量黑洞存在，我們就得假設照片裡是個正在“節食”的黑洞，因為那樣才能壓抑我們在活躍星系核看到的能量現象。

如果我們要去找這些躲在星系中心的黑洞，最好的地方就是我們所在的星系

——銀河系。這是一張銀河系中心的廣角照片，我們看到的是一列恆星。因為我們所在的星系是一個扁平的，盤狀結構的星系。而且我們居住在中央，因此當我們看向中心，我們看到的這條線就是這個星系的“盤面”。

研究我們自己的星系的優勢是，在我們接觸過的星系中心的實體中，這是距離我們最近的星系。我們的鄰居星系距離我們則足有100倍的距離。因此，對我們自身所在星系的研究可以做到比其他任何一個星體都更加透徹。你們等下就會看到，這個實驗的關鍵在於看見細節的能力。

所以天文學家如何證明在一個相對小的空間記憶體在很大的質量呢？這就是今天我要展示給各位看的。我們用的工具，是

觀察恆星繞行黑洞的方式

。

恆星繞行黑洞的方式，和行星繞行太陽的方式一樣。是引力讓它們繞行。如果沒有大質量物體，它們就會四散飛走，或至少運動速度慢很多，因為決定它們如何運動的，是軌道內有多少質量。

我的工作就是去

證明小體積裡有大質量

。因此，如果可以計算出繞行速度，就能知道質量。如果我知道軌道的大小，就能知道半徑。所以我會想研究的恆星，越靠近銀河的中心越理想。只有這樣，我才能在儘可能小的空間內證實物質的存在。也就是說，我

需要觀測大量的細節資料

，這就是我們為何採用世界上最大的望遠鏡來做這個實驗的原因。

這是keck天文臺，它擁有2臺望遠鏡，搭配10米的鏡子，差不多是一個網球場的直徑。這一點很贊。因為大型望遠鏡總是承諾，望遠鏡越大，我們能觀察到越小的細節。然而現實是，

我們發現所有望遠鏡，多多少少都難以實現這承諾。原因是大氣。

地球大氣層對我們人類至關重要，它讓我們能在地球上生存。但對於想要穿過大氣去看天體的天文學家而言，就成了障礙。

為了讓大家更好地理解，我用一個比喻：就像看一塊小溪底的鵝卵石一樣，溪水不斷流動，使得觀察底部的鵝卵石變得很困難。同樣地，因為大氣層不停地流動我們很難觀測到清晰的天體。

因此我花費了職業生涯中很長的時間來研究如何克服這一困難，研究如何針對大氣做校調，以看得更清楚。結果是，

我們有了二十倍的改善

。我想大家都同意，如果你有辦法將生活改善二十倍，效果將會是顯而易見的，比如你的薪水、你的孩子……

這個動畫是我們應用“

自適應光學

”（Adaptive Optics）的例子。這個動畫展現的從是不用這項技術會看到的景象，轉換到用這項技術後，清楚看見星系中心，即我們認為的黑洞所在。

所以，沒有這項技術，你就看不見那些星體。有了這項技術，突然就能看見了。這項技術的原理是將一面鏡子放入望遠鏡光學系統中，抵消大氣對視野產生的影響。就像是你的望遠鏡配戴了一副很炫的眼鏡。

現在，接下的幾幅幻燈片中，我們將集中觀測中間那個小方塊區域裡的星體，看它們是如何運動的。這個實驗過程中，星體都運行了相當驚人的距離，這個實驗進行了十五年，我們已經看到恆星繞了一整圈。

大部分的天文學家都有一個最愛的恆星，今天我最愛的是標記為 SO-2 的那一個。世界上我最喜歡的恆星絕對是它！

因為它只花了十五年就繞了一圈

。讓各位更清楚十五年有多短——太陽繞著銀河的中心轉一圈要兩億年；以前我們所知最靠近銀河中心的恆星也要花五百年。而這個恆星可以在人類一生內就繞一圈回來。想想就覺得意味深長。

而這也正是實驗的關鍵。

這個軌道讓我知道，在極小的半徑內有多少質量。接著，從這張照片可以看到，在這個實驗之前，我們能將銀河中心的質量縮小在多大的範圍內。

我們以前知道，在那個圓圈中間有太陽四百萬倍的質量，你可以看到，圓圈中還有許多其他東西。可以看到很多恆星。所以，其實還有很多其他可能，不見得在銀河中心一定有一個超大質量黑洞，因為裡面可能有很多別的。

但在這個實驗中，我們能把同樣的質量侷限在更小更小的體積中，小了足足一萬倍。因此，我們能證明那裡有一個超大質量黑洞。讓你更清楚那是多小——那就是我們太陽系的大小。

我們是把四百萬倍的太陽質量塞到那個小體積中。

我說過，我的工作是要將它縮小到史瓦西半徑。事實上，我還沒做到。但對於這種質量的集中現象，現今已經沒有其他可能的解釋。它是我們至今的最佳證據，不僅能證明有超大質量黑洞存在於我們自己銀河系的中心，還能證明在宇宙任何星系都有。所以接下來呢？我認為以現今的科技，已無法再做得更好，所以我們就談別的吧。

我想要用幾個例子，簡短告訴各位，現今我們可以在銀河中心做什麼有趣的事。因為我們已經知道，或至少我們相信，那裡有個超大質量黑洞。這個實驗很有趣的階段是：當我們測試一些想法，關於銀河中心有個超大質量黑洞會有什麼後果，

我們發現幾乎每個想法，都和我們實際所見到的不一致

。這就是有趣之處。

讓我舉兩個例子。你可以問：“你預期老恆星會怎樣？在銀河中心附近已經繞行很久的恆星，它們有足夠長的時間和黑洞發生互動作用。” 你所期望看到的是，那些古老的星體應該環繞在黑洞附近逐漸接近，你將可以看到黑洞附近聚集很多星體。

而對於年輕的星體，它們則不應該出現在那個地方。黑洞不會是恆星搖籃的好鄰居，一個星體的形成需要大量的氣體與塵埃的崩潰與聚合，它是一個非常脆弱的個體，黑洞在這起到什麼作用呢？它可以將氣雲剝離，它對一面起到更大的拉力，從而把氣雲剝離。所以

我們預測星體的形成不應該在那種環境下發生

，所以你不應看到年輕的星體。

那麼我們到底看到了什麼？使用其它一些觀察設施，我們可以辨視出哪些恆星老、哪些年輕。老恆星是紅色的，年輕恆星是藍色的。我們還不清楚黃色的是什麼。所以，你應該也已經感到很吃驚了。年長的星體很少，卻有著很多的年輕星體，

這與我們的預測恰恰相反

。

這就是有趣的部分。我們正在努力想通這一點，這個謎題在於要如何解決這種矛盾。事實上，我的研究生此時此刻就在夏威夷的望遠鏡前進行觀察，希望能我們可以很快的進入下一個階段，那時我們將重新闡釋這個問題——也為什麼有這麼多的年輕星體，而老年星體則如此稀少？為了進一步的研究，我們必須要觀測執行軌道，那些更遠星體的執行軌道。為了做到一點我們將會需要比現今更精密的技術。