天体物理学

2020年诺贝尔物理学奖授予黑洞研究奖

Le Britannique Roger 彭罗斯 est récompensé pour ses travaux théoriques sur les trous noirs. L’Allemand Reinhard Genzel 和 l’Américaine Andrea Ghez sont distingués pour leur découverte du 黑洞 supermassif au centre de la Voie lactée.

肖恩·拜利
2020年诺贝尔物理学奖彭罗斯,Genzel和Ghez的三位获奖者

Cette 安ée,诺贝尔物理学奖涵盖了世界上一些最奇特的物体’宇宙,黑洞。长期以来,物理学家一直想知道é si les trous noirs étaient réels, s’它们可能在宇宙或宇宙中形成’ils n’é只是équations de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.

1965年,罗杰·彭罗斯(Roger 彭罗斯 d)émontré在以下条件下可能会形成黑洞éalistes 和 les a décrits en dé尾巴。特别是黑洞隐藏在œur 奇点é de densité infinie où相对论é générale cessent de s’appliquer.

À partir du début des 安é1990年,莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez)执导é indépendamment deux é的观察研究étoiles évoluant au plus prè距离银河系中心ée, dans 一种région 姓mée射手座A *。他们的动态显示é qu’elles é在轨道上’un objet très massif d’environ 4 数百万个太阳质量的体积小于Systè太阳我。因此,他们做出了贡献é 一种preuve indirecte de l’existence d’une classe particulière de trous noirs :超大质量黑洞é在星系的中心。

L’但是,黑洞的历史要早得多。ôt, dès la fin du xviiie siècle. En étudiant les conséquences de la mé牛顿的canique被应用ée à des objets trè科学家约翰·米歇尔(John Michell)和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)指出,é (indépendamment, en 1783 第一次和1796年 pour le second), qu’一个人可以设计巨大的物体(例如500 比太阳大一倍ême densité)的引力场是如此之强,因此lib的速度ération si élevée, que même la lumière ne pourrait s’échapper de l’星。这些将是« objets noirs ». Michell s’était même demandé comment dé检测此类物体 : « 如果有明亮的物体évoluaient autour d’eux alors peut-être qu’à从这些绕行物体的运动中,我们可以发现érer l’中心有一定概率存在物体é. » C’est cette même idée qui sera utilisée,两百年后,Reinhard Genzel和Andrea Ghez着重介绍évidence la pré银河系中心的超大质量黑洞的感觉ée.

概念’但是,米歇尔和拉普拉斯的黑色物体具有’inconvénient d’être le résultat d’une ré在M下弯曲é牛顿小食。但是,十一月 1915年,爱因斯坦(Albert Einstein)表演é que cette dernière n’était qu’une approximation d’une théOria更基本,相对é géné罗勒德国物理学家得出的结论是’énergie dé形成了’时空。后者的曲率,以d为单位é沿着物体的轨迹’y déplacent, correspond à ce que l’on 姓me la force gravitationnelle.

尽管é la complexité mathématique de cette thé几个月后,我’德国天文学家Karl Schwarzschild讲述é 一种solution aux équations d’爱因斯坦’un objet massif sphé有风险且无轮换。但是,Schwarzschild的解决方案有两个问题èmes : 她prend 一种valeur infinie au centre, 和 pour un rayon r = 2GM/c2 (où G 是引力常数M la masse de l’objet 和 c 光的速度ère), depuis 姓mé rayon de Schwarzschild. Comment 整型erpréter ce résultat ?

如果有问题ème du centre a été assez vite 整型erprété comme 一种vraie singularité,表明éorie de la relativité générale ne dé在这一点上,物理学写得更正确了,施瓦兹希尔半径été difficile à comprendre. Après plusieurs dé研究人员显示,é那个奇点é était juste un problème de choix du système de coordonnées。但不仅…

1939年,é罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)和哈特兰·斯奈德(Hartland Snyder)étudié马蒂云如何ère s’effondre sur lui-mê我。然后,他们了解了Schwarzschild射线的物理含义。后者définit un « horizon »包括任何pénètre à l’intérieur ne peut plus s’échapper, pas même la lumière. On a alors un « trou noir » (le 姓 ne sera inventé que dans les 安ées 1960). Ainsi, 一种étoile très massive qui s’effondre sur elle-même pourrait former un 黑洞. L’astre se « couperait » alors du reste de l’宇宙,不再可以émettre d’信息提供给远方的观察者。只有它的引力场会持续下去。

这个编号ée a cependant été accueillie avec scepticisme. Une 假说è计算中心d’奥本海默和斯奈德était que le système devait présenter 一种symétrie sphé礼节。但是自然界’est parfaitement symétrique. Une étoile qui s’它会崩溃吗éellement dans cet état si étrange qu’est un 黑洞, ou rebondirait-elle sur son cœ心脏爆炸和散落他的matière dans le milieu 整型erstellaire ?

L’idée de 黑洞 a été relancée dans les 安ées 1960 avec l’观察类星体。特别是在 1963年,马丁·施密特(Maarten Schmidt)展示é que le quasar QSO 3C 273 était situé à 760 mégaparsecs (2,4 milliards d’années-lumiè回覆)。但鉴于他的距离,他不得不être 1 000 比整个银河系明亮十倍ée ! 1964年,埃德温·萨尔佩特(Edwin Salpeter)和雅科夫·泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)建议éré类星体是中心占据的星系é par un 黑洞 supermassif qui engloutit des quantités colossales de matière. Cette dernière s’échauffe en tombant 和 rayonne 整型ensément.

剩下的à ré解决形成的问题’un 黑洞 dans des conditions réalistes. Le mathé玛丽·罗杰·彭罗斯’est penché sur le problème dès 1964. Il a considéré le problème sans faire l’hypothèse de symétrie sphé礼节。达到à 一种solution, il a développé des outils mathématiques inspiré的拓扑结构。他因此表明é在非常条件下ès générales (sans symétrie particulière), l’effondrement de matière conduit à la formation d’une singularité 和 d’un 地平线, c’est-à-dire d’un 黑洞.

因此,黑洞不仅仅是数学产物。ématique des é相对论é géné罗勒它们可以在’effondrement du cœur d’une étoile massive. La dé覆盖类星体également amené英国人唐纳德·林登·贝尔,在 1969, à suggé关于大多数星系hébergent un 黑洞 supermassif en leur centre, dont la masse pourrait atteindre un million voire un milliard de fois celle du Soleil. Deux ans plus tard, avec son compatriote Martin Rees, ils ont suggéré que c’é银河系也可能如此ée.

但是’époque avaient 一种ré解决方案太弱而无法仔细检查银河系中心é由Harlow Shapley prè在射手座的方向上一百年。À la fin des 安ées 1960年,射手座广播源 A* avait été clairement identifiée comme é既是银河系的中心ée。但是,这个éion园富含气体,灰尘è重新(这使其特别èrement opaque à la lumière visible) 和 en é画布在狭窄的轨道上旋转ées.

À partir des 安ées 1990, la résolution des télescopes gé近红外中的蚂蚁已足以观测银河系中心。大号’é莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)的团队’abord utilisé le NTT (新技术望远镜) à然后是智利的La Silla VLT(超大型望远镜),在Paranal,également au Chili. L’équipe d’Andrea Ghez曾经用过é l’observatoire 凯克, à Hawaii.

L’é银河系中心研究écessite un suivi sur 一种longue durée, ce qui exclut l’utilisation des té空间范围。但是地面天文台有’inconvénient d’être soumis aux turbulences 大气ériques, qui altèrent la qualité图片。为了补偿这种干扰,两个équipes ont d’abord utilisé 一种technique 姓mée 斑点成像,但这只能遵循é最亮的画布。À partir des 安ées 2000, les deux équipes ont utilisé 一种nouvelle technique, l’自适应光学。它包含à créer 一种étoile artificielle à côté de la zone observée用激光激发l的钠原子’atmosphère. Les déformations dues aux turbulences 大气é然后分析风险é现场和纠正ées grâce à辅助镜déformable.

都é因此,小组âce à des données toujours plus précises, les é最接近银河系中心的恒星。特别是,他们遵循了’étoile S2, dont la période de ré进化只有16年的历史(太阳在200年中使银河系发生了革命 millions d’années). 都équipes sont arrivées à la même conclusion :的椭圆形笔触’étoile S2 suggère qu’elle évolue autour d’un objet de près de 4 millions de masses solaires, compatible avec un 黑洞 supermassif.

réRoger 彭罗斯,Reinhard Genzel和Andrea Ghez的结果été le point de dé也分享许多作品éoriques qu’黑洞观察,l’astrophysique en général和宇宙学。例如,Roger 彭罗斯和Stephen Hawking使用了é les mê我的工具来表明’une singularité passée est inévitable dans le modè大爆炸。这些作品也带来了é au phénomè霍金辐射和’é黑洞蒸发。今天’hui, le défi pour les théOricians是要了解如何调和mé量子canique和相对论é générale pour décrire plus précisé在奇点级别会发生什么é.

黑洞的观察可以提供线索。 VS’重力财团尤其如此,该财团继续’observer Sagittarius A*, ou encore du télescope 活动视界,谁有éalisé en 2019 la première image d’un 黑洞 supermassif au centre de la galaxie M87. Les 整型erféromètres lasers géants 利高处女座 茎é也是引力波é在合并两个黑洞期间放置。

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