相對(duì)論天體物理學(xué)

編者按：今年是狹義相對(duì)論誕生120周年，同時(shí)也是廣義相對(duì)論誕生110周年。《現(xiàn)代物理知識(shí)》雜志特別策劃了一系列文章，以紀(jì)念這一物理學(xué)領(lǐng)域的重大里程碑。

張雙南

高能物理研究所粒子天體物理中心，粒子天體物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

“相對(duì)論天體物理學(xué)”一般指相對(duì)論和天體物理結(jié)合的交叉學(xué)科。“相對(duì)論”一般包括“狹義相對(duì)論”和“廣義相對(duì)論”，因此“相對(duì)論天體物理學(xué)”一般既包括狹義相對(duì)論也包括廣義相對(duì)論和天體物理的結(jié)合交叉。本文所介紹的“相對(duì)論天體物理學(xué)”特指廣義相對(duì)論與天體物理學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，即以廣義相對(duì)論作為主要理論基礎(chǔ)，主要研究宇宙中極端引力場(chǎng)下的物理現(xiàn)象和天體過(guò)程，探索黑洞、中子星、引力波、宇宙學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題，并且利用宇宙的各種極端物理?xiàng)l件檢驗(yàn)廣義相對(duì)論理論并且發(fā)展超越廣義相對(duì)論的物理理論。

一方面由于規(guī)定的篇幅的限制以及本專輯還有其他學(xué)者的文章專門綜述本文的某些章節(jié)的主題，另外更主要的是由于本人的學(xué)識(shí)和水平的限制，本文對(duì)相對(duì)論天體物理的大部分主題都只能“蜻蜓點(diǎn)水”一帶而過(guò)，但是對(duì)我本人熟悉或者做過(guò)一點(diǎn)工作的主題稍微展開(kāi)，比如黑洞的質(zhì)量和自旋測(cè)量以及凍結(jié)星疑難問(wèn)題。本文沒(méi)有包括修改引力理論和質(zhì)疑廣義相對(duì)論的理論與進(jìn)展，這些并不是不重要，而是超出了本“命題作文”。文末除了列出本文引用的參考文獻(xiàn)，也列出了值得進(jìn)一步閱讀的開(kāi)放資源、教科書(shū)與專著，并且逐條進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)論和介紹，以方便讀者進(jìn)一步閱讀。

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理論奠基期(1905~1940)：相對(duì)論的建立及其理論意義的初步探討

1.1相對(duì)論框架的建立

愛(ài)因斯坦于1905 年提出了狹義相對(duì)論理論，在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中提出時(shí)空統(tǒng)一性、光速不變?cè)砑百|(zhì)能方程(E=mc2)，奠定了高速運(yùn)動(dòng)物體的理論基礎(chǔ)。從此，狹義相對(duì)論和量子力學(xué)一起成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱性理論。1915 年愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程Gμv=8πTμv將引力解釋為時(shí)空幾何的彎曲。根據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)和觀測(cè)到的每世紀(jì)43 角秒的反常進(jìn)動(dòng)完美吻合，初步證實(shí)了廣義相對(duì)論比牛頓的引力理論更加精確。而廣義相對(duì)論的幾個(gè)關(guān)鍵預(yù)言很快就被天文學(xué)的觀測(cè)所證實(shí)，包括1919 年愛(ài)丁頓團(tuán)隊(duì)通過(guò)日全食觀測(cè)證實(shí)光線引力偏折，1925 年亞當(dāng)斯通過(guò)白矮星天狼星B光譜觀測(cè)驗(yàn)證引力紅移等，使得廣義相對(duì)論理論迅速成為引力物理研究的基礎(chǔ)理論。

1.2黑洞與致密天體的數(shù)學(xué)預(yù)言、凍結(jié)星疑難

史瓦西于1916 年求得愛(ài)因斯坦方程的第一個(gè)解析解，也就是球?qū)ΨQ的真空解，提出事件視界半徑rs=2GM/c2以及“ 奇點(diǎn)”。1931 年錢德拉塞卡在廣義相對(duì)論理論的框架下計(jì)算了白矮星的質(zhì)量極限MCh≈1.4M☉，然而受到了愛(ài)丁頓的質(zhì)疑，引發(fā)了關(guān)于恒星演化終態(tài)的爭(zhēng)論。錢德拉塞卡于1983 年主要是因?yàn)樵摴ぷ鳙@得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1939年奧本海默與沃爾科夫建立了中子星模型，預(yù)言了中子星的最大質(zhì)量，也就是奧本海默-沃爾科夫極限MOV~0.7M☉(后修正為2-3M☉)，并指出更大質(zhì)量將坍縮為黑洞，這是第一個(gè)關(guān)于黑洞的天體物理形成機(jī)制的理論模型。1958 澤爾多維奇提出X射線雙星中可能存在黑洞，通過(guò)吸積物質(zhì)釋放引力能，這可能是宇宙中能量釋放效率最高的過(guò)程之一，啟發(fā)了天文學(xué)家如何在宇宙中尋找黑洞。

1939 年奧本海默與斯奈德發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒星耗盡所有熱核能源后，如果其質(zhì)量足夠大，恒星將在自身引力作用下持續(xù)坍縮。對(duì)于和坍塌物質(zhì)共動(dòng)的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，坍縮的總時(shí)間是有限的。然而，外部觀測(cè)者會(huì)看到坍縮物質(zhì)會(huì)漸近地接近其引力半徑(也就是事件視界)，而不會(huì)停止坍縮。這個(gè)過(guò)程本質(zhì)上就是，在史瓦西度規(guī)下遠(yuǎn)處觀測(cè)者看到向視界下落的檢驗(yàn)粒子無(wú)限逼近、但是永遠(yuǎn)也不能到達(dá)和穿越視界，被凍結(jié)在了視界的外面。如果物質(zhì)不能到達(dá)和穿越視界，那么所謂的黑洞豈不就是物質(zhì)堆積在視界外面的凍結(jié)星？這就是所謂的凍結(jié)星疑難。

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觀測(cè)與理論并行期(1940~1970)：從數(shù)學(xué)奇點(diǎn)到宇宙天體

2.1凍結(jié)星疑難的解決方案

1958 年芬克爾斯坦通過(guò)引入新的坐標(biāo)系統(tǒng)(后被稱為Finkelstein 坐標(biāo))，發(fā)現(xiàn)在Finkelstein 坐標(biāo)下史瓦西坐標(biāo)系在視界處(r=2M)并不存在“奇點(diǎn)”，檢驗(yàn)粒子能夠順利而平滑地穿越史瓦西坐標(biāo)系的視界，沒(méi)有前述的凍結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)，但是中心(r=0)，度規(guī)仍然發(fā)散，存在“奇點(diǎn)”。因此，原史瓦西坐標(biāo)下的視界處(r=2M)的奇異性質(zhì)就被稱為“坐標(biāo)奇點(diǎn)”，是坐標(biāo)系選擇“錯(cuò)誤”的表觀現(xiàn)象，而中心(r=0)的奇異性質(zhì)是真實(shí)性質(zhì)，被稱為“物理奇點(diǎn)”。這是領(lǐng)域內(nèi)以及絕大部分廣義相對(duì)論教科書(shū)(見(jiàn)文末參考書(shū)的有關(guān)章節(jié))給出的凍結(jié)星疑難的解決方案。

如果堅(jiān)持在史瓦西坐標(biāo)系下考察，那么物質(zhì)仍然凍結(jié)在視界外面，那么塌縮形成的天體到底是凍結(jié)星還是引力質(zhì)量集中在中心的奇點(diǎn)？對(duì)此，有些廣義相對(duì)論的教科書(shū)給出的回答是，其實(shí)物質(zhì)即使凍結(jié)在視界外面也無(wú)所謂，因?yàn)檫@些物質(zhì)在極為靠近視界處發(fā)出的輻射，由于引力紅移效應(yīng)，流強(qiáng)會(huì)快速衰減，頻率會(huì)被極大的紅移，遠(yuǎn)處的觀測(cè)者不可能觀測(cè)到。既然不可能觀測(cè)到，那就是“黑”的，因此凍結(jié)星就是黑洞。

2.2黑洞物理的數(shù)學(xué)突破

克爾1963 年提出自轉(zhuǎn)黑洞的精確解(克爾度規(guī))，揭示了自轉(zhuǎn)黑洞存在能層。1969 年彭羅斯提出了從能層提取黑洞的自轉(zhuǎn)能量的機(jī)制，也就是彭羅斯過(guò)程。1965 年彭羅斯證明了在廣義相對(duì)論框架下，引力坍縮必然導(dǎo)致時(shí)空奇點(diǎn)，確立黑洞存在的理論必然性。他于2020 年主要是因?yàn)樵摴ぷ鳙@得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1967~1972 期間惠勒、伊斯雷爾等人證明穩(wěn)態(tài)黑洞僅由質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷三參數(shù)描述，被稱為黑洞的“三毛定理”。

2.3脈沖星與中子星的實(shí)證：諾獎(jiǎng)的福地

貝爾與休伊什于1967 年發(fā)現(xiàn)首個(gè)中子星(脈沖星)PSR B1919+21，其射電周期(1.337 秒)的穩(wěn)定性支持快速自轉(zhuǎn)中子星模型。休伊什因中子星的發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)導(dǎo)射電天文學(xué)的發(fā)展于1974 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，然而脈沖星的主要發(fā)現(xiàn)者貝爾沒(méi)有獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成為很大的爭(zhēng)議。

20 世紀(jì)60 年代基于核物理的中子星狀態(tài)方程(EoS)的研究興起，今天已經(jīng)成為天體物理與核物理的主要交叉研究領(lǐng)域。部分理論認(rèn)為，中子星核心可能發(fā)生強(qiáng)子-夸克相變，形成奇異夸克物質(zhì)(如u、d、s 夸克組成的超流態(tài))，其狀態(tài)方程(EoS)對(duì)中子星最大質(zhì)量(Mmax~2~3M☉)具有決定性影響。

1974 年約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發(fā)現(xiàn)了毫秒脈沖星雙星系統(tǒng)PSR B1913+16，他們因此獲得了1993 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的研究表明，PSRB1913+16 的軌道衰減行為與廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波輻射的后果高度一致，為引力波的存在提供了間接證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)為后來(lái)的引力波探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。從此之后，利用脈沖星檢驗(yàn)各種相對(duì)論效應(yīng)就成為了重要的研究領(lǐng)域，中子星也成為了相對(duì)論天體物理研究的重要實(shí)驗(yàn)室。

1962 里卡多·賈科尼團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了Scorpius X-1(這是一顆產(chǎn)生明亮X射線輻射的X射線雙星，其致密天體是一顆中子星)，開(kāi)啟了致密天體吸積物理研究。賈科尼于2002 年由于開(kāi)創(chuàng)了探索宇宙的新窗口(X射線天文學(xué))并且發(fā)現(xiàn)了新類型的天體而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2.4活動(dòng)星系核與吸積黑洞

1963 年施密特測(cè)定了3C 273 的紅移z=0.158，確認(rèn)其極端光度(L~1046 erg/s)，用已知的天體和輻射理論都無(wú)法解釋，這就是類星體的能源之謎。1965 年彭羅斯研究奇點(diǎn)的主要科學(xué)動(dòng)機(jī)就是利用引力塌縮形成黑洞解釋類星體。林登-貝爾1969 提出了活動(dòng)星系核中心黑洞的理論模型。1973 沙庫(kù)拉和蘇尼亞耶夫提出了α 標(biāo)準(zhǔn)吸積盤模型，通過(guò)定量關(guān)聯(lián)吸積率與輻射效率()，能夠解釋包括中子星和黑洞吸積在內(nèi)的一系列天體物理現(xiàn)象。

今天學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為類星體就是超大質(zhì)量吸積黑洞，利用這些黑洞可以研究廣義相對(duì)論效應(yīng)。然而這些黑洞的形成和增長(zhǎng)機(jī)制，以及這些過(guò)程對(duì)星系以及宇宙結(jié)構(gòu)的形成與演化的影響還遠(yuǎn)未理解，對(duì)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量進(jìn)行精確測(cè)量十分重要。傳統(tǒng)的測(cè)量方法有兩種。

第一種是1980s 開(kāi)始發(fā)展的寬發(fā)射線區(qū)(BLR)反響映射方法，通過(guò)光變曲線延遲τ 測(cè)量BLR 半徑RBLR=cτ，結(jié)合發(fā)射線寬度Δv 示蹤引力勢(shì)，計(jì)算質(zhì)量：MBH= f[RBLR ( Δv )2/G]，其中f為幾何因子(通常取f≈3~5)。

第二種是利用星系核球動(dòng)力學(xué)與M-σ關(guān)系，也就是2000 年兩個(gè)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的星系核球的恒星速度彌散與中心黑洞質(zhì)量的關(guān)系MBH∝σ4，該關(guān)系表明超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與宿主星系演化緊密耦合。

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黃金時(shí)代(1970~2000)：多波段觀測(cè)與相對(duì)論天體物理學(xué)的成熟

3.1黑洞熱力學(xué)與量子引力的探索

1972 年雅各布·貝肯斯坦提出黑洞熵S = kBA/ ( 4l2p)，揭示了黑洞與熱力學(xué)定律的深刻聯(lián)系。1974 年霍金結(jié)合量子場(chǎng)論與彎曲時(shí)空，預(yù)言黑洞通過(guò)粒子對(duì)產(chǎn)生輻射，也就是著名的霍金輻射，溫度TH= ?c3/ (8πGMkB)。1976 年霍金提出黑洞蒸發(fā)導(dǎo)致量子信息丟失的信息悖論，引發(fā)持續(xù)至今的爭(zhēng)論。

3.2高能天體物理的突破：伽馬射線暴與黑洞

伽馬射線暴。1973 年Vela 衛(wèi)星意外發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴，1997 年對(duì)一例伽馬射線暴[7]的宿主星系的紅移測(cè)定確立了其宇宙學(xué)起源，表明致密天體并合或者大質(zhì)量恒星的塌縮爆發(fā)產(chǎn)生了明亮的伽馬射線暴發(fā)。至今伽馬射線暴已經(jīng)成為時(shí)域和多信使天文學(xué)的主要研究對(duì)象之一。

恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的證認(rèn)。1964 探空火箭探測(cè)到天鵝座X-1 的強(qiáng)X射線輻射，推測(cè)源自致密天體吸積。1971 對(duì)天鵝座X-1 光學(xué)對(duì)應(yīng)體HDE 226868的光譜觀測(cè)顯示其為一顆O 型超巨星，軌道周期5.6 天，通過(guò)開(kāi)普勒第三定律推算不可見(jiàn)伴星質(zhì)量下限M≥15M☉，遠(yuǎn)超中子星質(zhì)量極限，這是第一個(gè)X射線雙星中的黑洞候選體。

雙星中致密天體的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法就是質(zhì)心速度曲線法，基于雙星軌道運(yùn)動(dòng)，測(cè)量可見(jiàn)恒星視向速度vr，結(jié)合軌道傾角i(通過(guò)橢圓光變曲線或星風(fēng)模型估計(jì))，計(jì)算黑洞質(zhì)量：MBH=[PK3(1 + q )2]/(2πG sin3i)，其中K 為伴星速度半幅，q=Mcomp/MBH為質(zhì)量比。

從測(cè)量天鵝座X-1 的致密天體質(zhì)量開(kāi)始，主要通過(guò)X射線和硬X射線觀測(cè)發(fā)現(xiàn)吸積致密天體，然后通過(guò)后續(xù)的光學(xué)觀測(cè)證認(rèn)其是否為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，至今已經(jīng)在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量的吸積黑洞雙星系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中的致密天體的質(zhì)量M>5M☉，遠(yuǎn)超中子星的質(zhì)量上限，在廣義相對(duì)論框架下的最合理解釋就是黑洞。

黑洞自轉(zhuǎn)。1977 布蘭福德和茲納耶克提出了吸積噴流理論 (BZ機(jī)制)，解釋黑洞自轉(zhuǎn)能量驅(qū)動(dòng)相對(duì)論性噴流。至今發(fā)現(xiàn)很多吸積黑洞系統(tǒng)能夠產(chǎn)生相對(duì)論噴流。然而黑洞的自轉(zhuǎn)測(cè)量十分困難，目前的主要測(cè)量方法有兩種，都依賴圍繞黑洞的吸積盤性質(zhì)的理論模型。

鐵Kα線法測(cè)量黑洞自轉(zhuǎn)。1989 法比安等人建立了鐵線反射模型的早期理論工作并且做了初步應(yīng)用。1991 年拉奧爾計(jì)算了克爾度規(guī)下鐵線的輪廓，建立自轉(zhuǎn)-線形映射關(guān)系，成為反射譜法的標(biāo)準(zhǔn)工具。1995 年Tanaka 等通過(guò)ASCA 衛(wèi)星觀測(cè)活動(dòng)星系核MCG-6-30-15，發(fā)現(xiàn)鐵Kα 線展寬至4~7 keV，提出強(qiáng)引力場(chǎng)下的相對(duì)論反射模型。該方法已經(jīng)用來(lái)對(duì)很多黑洞的自轉(zhuǎn)做了測(cè)量。

連續(xù)譜擬合法測(cè)量黑洞自轉(zhuǎn)。1997 年張雙南等首次提出基于吸積盤多溫黑體連續(xù)譜擬合的自轉(zhuǎn)測(cè)量方法，不依賴鐵Kα 線，假設(shè)吸積盤發(fā)射遵循多溫黑體譜，內(nèi)邊緣位于最后穩(wěn)定圓軌道(ISCO)，溫度分布符合標(biāo)準(zhǔn)薄盤模型T(r)∝r-3/4，通過(guò)擬合X射線連續(xù)譜的歸一化因子K=(rin/D)2cos i(D為距離，i 為傾角)，結(jié)合獨(dú)立測(cè)距與傾角數(shù)據(jù)，反推rin=rISCO，計(jì)算黑洞的自轉(zhuǎn)參數(shù)a。該方法已經(jīng)用來(lái)對(duì)很多黑洞的自轉(zhuǎn)做了測(cè)量。

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多信使天文學(xué)時(shí)代(2000 至今)：從引力波到超大質(zhì)量黑洞的精確測(cè)量

根據(jù)廣義相對(duì)論理論，宇宙中主要有以下三種引力波波源。

雙致密天體并合。引力波的主要來(lái)源為雙黑洞、雙中子星或中子星-黑洞系統(tǒng)的旋近、并合及鈴蕩過(guò)程，通過(guò)引力波的測(cè)量，可以同時(shí)確定并合前后的致密天體的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)。此類系統(tǒng)的引力波波形可分為三個(gè)階段：1) 后牛頓近似階段(低頻，f~10-4~102Hz)：適用于雙星緩慢旋近的動(dòng)力學(xué)描述。2) 數(shù)值相對(duì)論階段(高頻，f~102~103 Hz)：通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬并合階段的強(qiáng)場(chǎng)時(shí)空幾何，提供精確波形模板。3) 鈴蕩階段：如果并合的產(chǎn)物是新生黑洞，其準(zhǔn)正則模輻射的頻率和衰減時(shí)間與黑洞質(zhì)量和自轉(zhuǎn)直接相關(guān)。

宇宙學(xué)起源引力波主要有三種。1) 暴脹時(shí)期：量子漲落激發(fā)的原初引力波，其功率譜與暴脹能標(biāo)直接相關(guān)，可通過(guò)宇宙微波背景(CMB)B 模式偏振探測(cè)。2) 一階相變：早期宇宙的對(duì)稱性破缺相變(如電弱相變)可能產(chǎn)生隨機(jī)引力波背景，頻率范圍在10-4~10-1 Hz，適合空間探測(cè)器(如LISA)探測(cè)。3)宇宙弦：拓?fù)淙毕莸膭?dòng)力學(xué)過(guò)程可能產(chǎn)生特征性引力波譜，為超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供線索。

極端質(zhì)量比旋近(EMRI)。由恒星級(jí)致密天體與超大質(zhì)量黑洞(SMBH)組成的系統(tǒng)，其引力波信號(hào)包含豐富的SMBH時(shí)空幾何信息，是檢驗(yàn)黑洞無(wú)毛定理和廣義相對(duì)論強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)的關(guān)鍵探針。

基于德雷弗、索恩和韋斯的設(shè)計(jì)，激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO 的成功建設(shè)(2002~2015)以及Advanced LIGO 達(dá)到空間扭曲測(cè)量的設(shè)計(jì)靈敏度，標(biāo)志著引力波天文學(xué)的正式誕生。2015年首次探測(cè)到了引力波爆發(fā)GW150914，這是首次直接探測(cè)到雙黑洞(36+29M☉→62M☉)并合產(chǎn)生的引力波，驗(yàn)證了廣義相對(duì)論非線性動(dòng)力學(xué)。2017 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了建立和領(lǐng)導(dǎo)LIGO 項(xiàng)目的三位科學(xué)家索恩、韋斯和巴里什。

2017 年首次探測(cè)到雙中子星并合產(chǎn)生的引力波爆發(fā)GW170817，該事件觸發(fā)了全球電磁波段的跟蹤，證實(shí)了千新星與r 過(guò)程元素合成，并約束了中子星狀態(tài)方程，正式開(kāi)創(chuàng)了多信使天文學(xué)時(shí)代。

引力波天文學(xué)正在以及將對(duì)相對(duì)論天體物理在多個(gè)方面帶來(lái)革命性的進(jìn)步。1) 廣義相對(duì)論驗(yàn)證：通過(guò)引力波極化模式、傳播速度(與光速一致性)及鈴蕩相位分析，排除標(biāo)量-張量引力理論等修正模型。2) 量子引力效應(yīng)：探索黑洞信息悖論與霍金輻射的觀測(cè)關(guān)聯(lián)，需結(jié)合極早期宇宙引力波與量子引力理論(如弦論)。3) 宇宙學(xué)參數(shù)測(cè)量：引力波作為“標(biāo)準(zhǔn)汽笛”，通過(guò)光度距離與紅移關(guān)系獨(dú)立測(cè)量哈勃常數(shù)。

4.2脈沖星計(jì)時(shí)陣列測(cè)量引力波

當(dāng)引力波通過(guò)地球和脈沖星之間的空間時(shí)，會(huì)引起時(shí)空的微小擾動(dòng)，從而導(dǎo)致脈沖星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間發(fā)生微小變化。中國(guó)天眼脈沖星計(jì)時(shí)陣列(FAST PTA)利用天眼的高靈敏度和納秒級(jí)別的高時(shí)間分辨率，初步探測(cè)到了納赫茲頻段的引力波信號(hào)，為未來(lái)的脈沖星引力波天文學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

4.3 “凍結(jié)星疑難”的理論解決以及觀測(cè)驗(yàn)證

2009 年劉元和張雙南指出，宇宙中真實(shí)的觀測(cè)者由于遠(yuǎn)離黑洞，只能選擇史瓦西坐標(biāo)系，觀測(cè)者的時(shí)間就是史瓦西坐標(biāo)的“坐標(biāo)時(shí)”。如果把Finkelstein坐標(biāo)下穿越視界的時(shí)間轉(zhuǎn)換回到史瓦西坐標(biāo)的“坐標(biāo)時(shí)”，時(shí)間仍然是無(wú)窮大。由于觀測(cè)者的觀測(cè)時(shí)間必然是有限的，因此觀測(cè)者仍然無(wú)法“看到”物質(zhì)穿越時(shí)間。事實(shí)上物理宇宙中黑洞的壽命也必然是有限的，在有限的時(shí)間內(nèi)物質(zhì)就不可能穿越黑洞的視界，靠坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的結(jié)論實(shí)際上是“幻覺(jué)”。

劉和張進(jìn)一步指出，凍結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)的本質(zhì)是由于假設(shè)了下落物質(zhì)為檢驗(yàn)粒子，而檢驗(yàn)粒子不影響引力場(chǎng)，引力場(chǎng)的度規(guī)是靜態(tài)的。如果考慮下落物質(zhì)的影響，視界不斷膨脹，最后和下落物質(zhì)撞在一起，下落物質(zhì)能夠在有限的時(shí)間內(nèi)平滑地穿越膨脹的視界。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是膨脹的視界吞噬了下落物質(zhì)，而這種情況在靜態(tài)度規(guī)下不可能發(fā)生。這樣就從理論上嚴(yán)格地解決了凍結(jié)星疑難。如果兩個(gè)凍結(jié)星撞在一起，除了產(chǎn)生引力波之外，這些逼近視界的物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生電磁波輻射，凍結(jié)星并不“黑”，但是已經(jīng)被近年來(lái)引力波和電磁波的聯(lián)合觀測(cè)所排除，與劉和張的預(yù)言完全一致。

計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，在外部觀測(cè)者的有限時(shí)間內(nèi)，穿越視界的物質(zhì)不會(huì)到達(dá)中心(r=0)，因此物理宇宙中的黑洞中心沒(méi)有物質(zhì)，也就是沒(méi)有“物理奇點(diǎn)”。注意這個(gè)結(jié)論和彭羅斯1965 年的“奇點(diǎn)定理”沒(méi)有矛盾，因?yàn)椤捌纥c(diǎn)定理”是把1939 年奧本海默與斯奈德計(jì)算的球?qū)ΨQ的引力坍縮擴(kuò)展到了一般的引力坍縮，所謂的中心奇點(diǎn)仍然是坐標(biāo)系變換之后的結(jié)果，物質(zhì)到達(dá)中心所需要的外部觀測(cè)者的時(shí)間仍然是無(wú)窮長(zhǎng)，在物理宇宙中不可能發(fā)生。當(dāng)然，如果觀測(cè)者親自穿越視界，他自己的確可以很快到達(dá)中心奇點(diǎn)。

4.4銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的精確測(cè)量

自20 世紀(jì)90 年代初，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲各自領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，使用位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)和夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡(Keck)，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)銀河系中心的恒星運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)這些恒星圍繞一個(gè)看不見(jiàn)的大質(zhì)量物體快速旋轉(zhuǎn)。這些觀測(cè)結(jié)果表明，銀河系中心存在一個(gè)質(zhì)量約為400 萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，提供了黑洞存在的最確鑿的證據(jù)。根策爾和蓋茲因其在觀測(cè)銀河系中心超大質(zhì)量黑洞方面的貢獻(xiàn)而獲得了2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4.5黑洞視界尺度成像

事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)通過(guò)全球VLBI 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了1.3 mm 波段亞毫角秒分辨率，于2017 年對(duì)M87*黑洞進(jìn)行了觀測(cè)，于2019 年公布了第一個(gè)黑洞陰影的照片，顯示直徑約40 微角秒的環(huán)形結(jié)構(gòu)，與克爾黑洞預(yù)測(cè)一致。2022 年事件視界望遠(yuǎn)鏡公布了對(duì)銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的陰影圖像，進(jìn)一步驗(yàn)證了超大質(zhì)量黑洞存在的普遍性以及廣義相對(duì)論預(yù)言的正確性。

4.6極端天體物理的數(shù)值革命

隨著對(duì)廣義相對(duì)論理論的深入理解、數(shù)值模擬計(jì)算的發(fā)展和超級(jí)計(jì)算能力的提升，對(duì)宇宙極端天體物理過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)生了革命性的進(jìn)步，標(biāo)志性的成果包括：1) 先后采用了Excision 方法和移動(dòng)穿刺法的開(kāi)源代碼“愛(ài)因斯坦Toolkit”，能夠克服以往廣義相對(duì)論數(shù)值模擬的發(fā)散問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)雙黑洞并合的高精度模擬，支撐了引力波模板庫(kù)建設(shè)；2) 廣義相對(duì)論磁流體數(shù)值模擬(GRMHD)，能夠揭示吸積盤-噴流耦合機(jī)制( 如HARM 代碼，2005)。

5

結(jié)語(yǔ)：相對(duì)論天體物理學(xué)的范式演進(jìn)

相對(duì)論天體物理學(xué)歷經(jīng)波瀾壯闊的百年，從愛(ài)因斯坦的純理論構(gòu)想，發(fā)展為依賴超算、空間與多信使探測(cè)、量子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在這個(gè)過(guò)程中獲得了多個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其核心范式經(jīng)歷了三次躍遷：1.) 幾何范式(1915~1960)，以時(shí)空彎曲解釋引力現(xiàn)象。2) 熱力學(xué)范式(1970~2000)，黑洞熵與量子效應(yīng)統(tǒng)一微觀與宏觀。3) 多信使范式(2000 至今)，引力波、中微子、電磁輻射與宇宙線的協(xié)同探測(cè)。

隨著國(guó)際上的JWST、SKA、LISA、ATHENA、Einstein Telescope、PTA，以及中國(guó)的脈沖星計(jì)時(shí)陣列(CPTA)、阿里原初引力波望遠(yuǎn)鏡(AliCPT)、太極、天琴和增強(qiáng)型X 射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)(eXTP)等設(shè)施的運(yùn)行和部署，未來(lái)人類將進(jìn)一步揭示黑洞生長(zhǎng)史、中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、極端引力規(guī)律、極強(qiáng)磁場(chǎng)中的真空漲落、暗物質(zhì)粒子屬性及早期宇宙的量子印記，相對(duì)論天體物理學(xué)將繼續(xù)扮演宇宙極端與終極規(guī)律探針的角色，中國(guó)也將在這個(gè)領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要甚至領(lǐng)跑的角色。

致謝

特別感謝蔡榮根院士邀請(qǐng)我寫(xiě)本文，特別致謝DeepSeek、Kimi 和 ChatGPT 這三款A(yù)I工具對(duì)我調(diào)研資料的大力幫助(但是所有的遺漏和錯(cuò)誤都由我負(fù)責(zé))。

本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2025年3期YWA編輯

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