60年代的私房，城市里的。在80年代翻建新房时退后了几米，原来的老的墙没有拆，在老的墙和新房的墙之间搭建了一个厨房，邻居举报，我有什么办法可以不拆？

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  月帮助201720人

  到上世纪80年代中期，我们在伯克利的研究团队找到了确凿的证据，首次证明了这个质量巨大的物体的存在，一个巨大的黑洞，也就是类星体的发现者们谈论的以及广义相对论预测存在的黑洞。这是真的吗？也许是真的。但一些同事还是完全无法信服。因为他们觉得气体并不是一个很好的追踪引力的对象，磁场或来自星风可以把气体吹散。恒星才是更好的研究对象。另一个原因是几光年的距离已经是视界半径的一百万倍了，所以我们研究的区域距离事件视界还有相当的距离。因此有理由怀疑那是不是黑洞本身的质量。也许有其它更适合的研究对象，比如由100万颗中子星或者我们看不到的暗星组成的星群。因此我们不得不推倒重来。我去到了德国，在马克斯·普朗克外层空间物理研究所建立了新的研究团队。我们建造了能够精确观测恒星运动的新设备，这需要大量的技术新的探测器以及大型天文望远镜，从而测量恒星的运动。几年后由安德烈娅·盖兹领导的团队也启动了相同的实验。他们使用的是位于夏威夷冒纳凯阿的凯克天文望远镜，我们当时使用的是位于智利的欧洲南方天文台的望远镜。盖兹他们在加州和夏威夷开展研究。我们看这张照片，也就是黄色十字代表的人马座A星的射电源中心的那个圆圈。我们可以通过将不同年份标记为不同颜色来对比星体运动，第1年红色，第2年绿色，第3年蓝色。我们用肉眼就可以发现，在非常靠近射电源的地方恒星正在移动。速度是多少？它们的运行速度相当于地球公转速度的一百倍，运行的尺度只有大概一光年左右。这样我们就可以计算出中心天体的质量，仍然是几百万个太阳质量，和十年前的结果相同，但现在这一结论是用更可靠的追踪对象得到的。但那里一定是黑洞吗？现在距黑洞的距离仍然是事件视界半径的10万倍，你仍然可以认为这一巨大的质量来自于一些别的质量分布，而不是来自于一个黑洞。因此研究还要继续下去，我们需要分辨率更高的照片。除了计算恒星的平均运行速度，我们也开始思考是否能找到运行速度极快且非常靠近黑洞的恒星，这样就可以追踪它的运动轨道。大自然已经对我们足够好了，所以我们不能总是希望在宇宙探索中有所发现，我们并不能像在实验室一样通过设备去进行研究。但是现实是，大自然确实给了我们一些（距离很近的）恒星。尤其是这个恒星，它距离射电源只有17光时（光时：光一小时走过的距离），17光时相当于海王星绕日轨道半径的4-5倍。它在2002年运行到了距离射电源17光时的地方，运行速度相当于光速的2.5%。这是难以置信的，我们从没见过这么快的速度，不需要多少分析我们也能知道。这个恒星现在距离那个质量相当于几百万个太阳的天体肯定不到17光时了，除非那里有黑洞（否则无法解释）。另一个需要证明的关键点就是我们的计算结果。我们用智利的望远镜（蓝色）和盖兹用凯克望远镜（红色）得出的结果完全一致。这对科学来说至关重要。你可以得出任何结论，但结果必须能够被重复验证才能令人信服。而我们观测到的也不只这一个恒星，我们发现了一组这样的恒星，并逐步绘制了以射电源为中心的恒星轨迹图。目前有大约50个恒星，有些距离射电源很近有些较远，一些拥有高偏心率的椭圆轨道，其他的轨道则更接近在一个平面内。我也无法完全解释，现在我们仍然不知道这些恒星是如何运动到它们现在所处的位置的。这些恒星的形成时间都不长，它们并没有足够的时间去移动到如此接近黑洞的地方。因此肯定还有我们尚未理解的过程。但就像我说的，大自然对我们很好，它给了我们这些恒星，我们可以通过这些恒星去追踪引力势能，并画出详细的星体图。大约在十年后的2005年左右，我们开始思考如何得出更确定的结论。我们已经确定那里有物体（也许是黑洞），我们对它质量的估计的准确性有10%左右。这已经很不错了，但它肯定是黑洞吗？我们一直在问这个问题：它肯定是黑洞吗？很遗憾，答案仍然是一样的：它可能是一个黑洞。它符合黑洞的特性，但也不一定就是黑洞。我们还需要更深入的研究。我们是基于广义相对论进行相关计算的，但前提是广义相对论在那个从未有人做过实验的极端环境中依然是成立的。我们确定那颗（围绕射电源公转的）恒星会回来，它按椭圆形轨道运行，公转周期16年。所以2018年我们会再次观测到它。如果我们加倍努力，也许就能有进一步的发现。那如何做到呢？智利的天文望远镜位于圣地亚哥市以北一千公里的阿塔卡玛沙漠，也就是欧洲南方天文台所在地。那里有4座直径8米的超大型天文望远镜，但目前我们只用了其中一座。射电天文学家60年前就知道，我们可以通过合并两座相距遥远的天文望远镜的光来提高分辨率，也就是通过光的干涉来提高分辨率。所以我们也可以这么做，但相比于射电来说难度更大。因为我们关注的波段波长更短，而地球大气层很不稳定，只需要一毫秒波形就会被破坏。所以这是一项技术上极具挑战的实验，但我们由弗兰克·艾森豪威尔领导的团队做到了。来自欧洲各个研究所和欧洲南方天文台的研究员组成的团队搭建了一个叫做“Gravity”的仪器，它可以将来自四个望远镜的红外波段的光进行干涉，现在我们将分辨率和天体位置测量精度提高了10-50倍。然后我们要做的就是等到2018年那个恒星再次出现，我们再去验证广义相对论是否成立。说到“Gravity”的超高分辨率，我们来看这张月球照片。我们看到，它可以分辨月球表面的一枚欧元一分硬币，相当于10μas（微阿秒），这也是分辨星系中心黑洞的事件视界所需的角分辨率。研究早期的照片都是很模糊的，我们能看到单个星体但不清晰。后来我们开始使用大型天文望远镜和自适应光学技术，得到了高分辨率照片。照片中我们可以看到围绕射电源的整个星群，也就是人马座A星（射电源）。通过这些年的观测和计算，我们可以了解整个星系的运动。有了“Gravity”之后，我们可以获得围绕射电源中心的高分辨率照片。令人惊喜的是，今年的照片还捕捉到了除人马座A星之外的其它4个星体，所有这些星体都聚集在不超过太阳系空间的范围内。它们的运行速度极快，对它们的研究是一项巨大的实验，来验证引力理论。我们可以观察它们每天或几个月内的活动，我们可以看到黑洞是如何聚集这些恒星的，并以此来推测引力势能以及引力场的特性。我们的研究已经走过了一段很长的路，从最初的观察气体云的活动到观察恒星的运动，再到观察某个恒星的轨道，一直到现在同时观察多个恒星的轨道。我们对恒星运动的观察已不再是以年为单位，而是精确到每一天。这让我们可以验证广义相对论，目前误差率只有不到0.1%，具体是5x10-4，这是极其精确的观测。那么我们看到了什么？我们发现的与牛顿定律相背离的现象之一就是引力红移。如果一颗恒星围绕着像黑洞一样质量巨大的天体在运行，那么射向我们的光子的部分能量会转化为引力势能，这就会导致光子红移。从下方照片可以看出，根据牛顿的理论，波长关于时间的函数会是一条直线，但我们看到实际上波长增加了约0.05%。我们的数据精确地验证了广义相对论对这条红色曲线的预测。我们要验证的第二点就是广义相对论对轨道的预测。就像我刚才提到的，根据牛顿的理论，各个行星以太阳为中心按照一定的轨道运行，如果没有其他干扰的话，轨道是稳定的。但广义相对论的看法则不同，根据广义相对论的预测，如果存在黑洞且恒星围绕其进行轨道运动，那么轨道会随着时间推移越来越靠近黑洞，也就我们所说的顺行轨道。那颗恒星的轨道每16年顺行12弧分（又称“角分”，天文学中的一种角度单位，1弧分=1/60度），通过数据我们也可以看到轨道蜷缩，也就是轨道向着黑洞的方向移动。我想再重复一下，牛顿理论预测轨道不会发生任何变化，而广义相对论则预测了很强的红移效应，我们的测算也完全验证了广义相对论的预测，最终我们也在红外区域看到了人马座A星。这是一个非常易变的射电源，红外区域的辐射能很可能来自磁场中的高能电子。这就是我们所说的电磁爆，一旦发生电磁爆，我们会看到那个红外辐射中的小点（指Sagittarius A）围绕着中心位置运动，轨道半径大约是黑洞事件视界半径的几倍，运行速度大约为光速的三分之一。这些数据也吻合了我们对黑洞的预测。我们的研究已经走过整整40年了，我们穿越的距离是事件视界半径的一百万倍。这期间不断有研究员加入我们，而我们在各种研究中也验证了同样的发现，那里很可能有且只有一个致密天体，也许还有一些恒星级黑洞，但主要就是一个天体（黑洞）。各种物理学特性也符合完全广义相对论的预测。这就是研究者的幸运。当我们探索森林时，我们会去发现自然赋予了我们什么，然后我们成功了。但在这个领域我们并不是唯一取得如此成果的人。盖兹、彭罗斯和我共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。我们的研究成果只是在这个极限领域验证广义相对论的突破之一，他人的成果包括发现了两个恒星级黑洞结合时的引力波，这就是最近几年的成就，也将我们引向类似的结论，计算结果也与广义相对论完全吻合。但这两个黑洞的质量并没有几百万个太阳那么大，而是三四十个太阳那么大。射电天文学家也对这些亮度极高的类星体进行了观测，他们发现确实像广义相对论预测的那样，天体质量中心旁边的光是弯曲的，射电波向下倾斜形成了阴影，这也完全契合了广义相对论的预测。从爱因斯坦到现在相关研究已历经百年，我们已经做完了所有的事情吗？我们的宇宙探索已经完成了吗？并没有。我们还希望解答更多的问题——视界的内部是什么？奇点是什么样的？这些黑洞真的曾经对银河系和其它星系的演化产生了重要影响吗？…… 原问题：《如何验证黑洞的存在？》

  回复于 2022-12-02 12:42:44