黑洞研究所简介
恰好，黑洞倡议(BHI)是在卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)解出爱因斯坦广义相对论方程100年后成立的，这个方程在第一个天文学证据证明黑洞存在的几十年前就描述了黑洞。作为一种奇异的时空结构，黑洞持续吸引着天文学家、物理学家、数学家、哲学家和普通大众，对其神秘的本质进行了一个世纪的研究。
BHI的使命是跨学科的，为此，我们赞助了许多活动，为不同学科的研究人员之间的互动创造环境。哲学家与数学家、物理学家、天文学家交谈，理论家与观察者交谈，一系列预定的活动为人们定期聚会创造了场所。
举个例子，对于我们关心的一个问题，考虑一下黑洞中心的奇点，它标志着爱因斯坦引力理论的崩溃。在量子力学的背景下奇点是什么样的?最有可能的情况是，它会出现在一个极小的体积内，是一个巨大质量(天体物理黑洞的质量比几个太阳质量还要大)的极端集中。吸干落入天体物理黑洞的所有物质的蓄水池的大小是未知的，这也是BHI学者工作中尚未解决的问题之一。
我们很高兴向大家展示一系列论文，这些论文是由我们的高级教员从众多申请中精心挑选出来的，参加了BHI的第一次论文竞赛。获奖论文将于本周一在这里发表鹦鹉螺在接下来的五周里，从第五名开始，一直到第一名。我们希望你们会像我们一样喜欢它们。
-亚伯拉罕（阿维）勒布
Frank B.Baird，哈佛大学科学教授
哈佛大学天文学系主任
黑洞计划（BHI）创始董事
我在18世纪，英国的约翰·米歇尔和法国的皮埃尔-西蒙·拉普拉斯独立地思考了“跳出固有模式”，并想象了如果把一个巨大的质量放在一个非常小的体积里会发生什么。将这个思想实验推向极限，他们推测，引力可能不允许任何东西，甚至光，逃脱。米歇尔和拉普拉斯想象的是我们现在所说的黑洞。
天文学家现在确信，当大质量恒星燃烧完它们的核燃料时，它们会坍缩到几乎为空，并形成黑洞。虽然一颗恒星坍缩成黑洞的概念令人震惊，但来自数百万甚至数十亿颗恒星的物质可以浓缩成一个超大质量黑洞的可能性就更不可思议了。然而，天文学家现在确信超大质量黑洞存在，并且在宇宙中1000亿个星系中的大多数中心都发现了它们。
我们是如何得出这个惊人的结论的?这个故事开始于20世纪中期，当时天文学家扩大了他们的视野，超越了我们眼睛所能感知的非常狭窄的波长范围。人们发现了非常强的无线电波源，当确定了准确的位置后，发现许多都是以遥远的星系为中心的。此后不久，无线电天线被连接在一起，以大大提高角度分辨率。这些新的“干涉仪”揭示了一幅完全出乎意料的星系射电辐射图——无线电波似乎不是来自星系本身，而是来自星系周围对称分布的两个巨大的“瓣”。图一展示了这样一个名为天鹅座a的“射电星系”的例子。射电瓣可能是宇宙中最大的结构之一，其大小是该星系本身的100倍以上。
巨大的射电波瓣是如何被激发的？它们在星系周围的对称位置清楚地表明了它们之间的密切关系。在20世纪60年代，灵敏的无线电干涉仪通过发现微弱的踪迹或“喷流”证实了这种关系的间接情况，这些踪迹或“喷流”追踪从波瓣到星系精确中心的一个非常紧密的放射源。这些发现促使射电天文学家增加干涉仪的尺寸，以便更好地分辨这些辐射。最终，这导致了超长基线干涉测量（VLBI）技术的出现，在这种技术中，来自地球各地天线的无线电信号被组合起来，以获得我们星球大小的望远镜的角度分辨率！VLBI观测的射电图像很快显示，射电星系中心的辐射源按照星系标准是“微小的”，甚至比太阳和最近恒星之间的距离还要小。
当天文学家计算出为射电波瓣供电所需的能量时，他们大吃一惊。它需要1000万颗恒星被“蒸发”，利用爱因斯坦著名的方程式将它们的质量完全转化为能量E=司仪2.！为恒星提供能量的核反应，甚至不能将恒星质量的1%转化为能量。因此，试图用核动力解释射电波瓣中的能量需要超过10亿颗恒星，而这些恒星必须生活在VLBI观测显示的“微观”体积内。由于这些发现，天文学家开始考虑替代能源:超大质量黑洞。
考虑到星系中心可能有超大质量的黑洞，我们很自然地要检查银河系的中心是否有这样一个怪物。1974年，在那里发现了一个非常紧凑的射电源，小于1秒的弧度(1/3600度)。这个致密源被命名为人马座A*，或Sgr A*，并显示在图2右面板的中心。早期的VLBI观测证实了Sgr A*比我们的太阳系要小得多。然而，没有明显的光学，红外，甚至x射线发射源可以确定，它的性质仍然是神秘的。
与此同时，高分辨率红外摄像机的研发揭示了银河系中心的密集星团。这些恒星在可见光波段是看不见的，因为可见光被介入的尘埃完全吸收了。然而，在红外线波长时，它们发出的10%的星光会进入我们的望远镜，天文学家已经测量这些恒星的位置超过20年了。这些观测的高潮是一个重要的发现:恒星沿着椭圆轨道运动，这是引力轨道的一个独特特征。其中一颗恒星现在已经沿着完整的轨道运行，如图二的左侧面板所示。
许多恒星都沿着部分轨道运行，并且都与单个物体的轨道一致。据观察，有两颗恒星接近太阳系的中心，其大小与我们的太阳系相当，按照银河系的标准，太阳系非常小。在这一点上，引力是如此强大，以至于恒星以每秒近10000公里的速度运行，足以在一秒钟内穿过地球！这些测量结果毫无疑问地表明，这些恒星对400万倍于太阳的未知质量做出了反应。将这种质量与恒星轨道所显示的（天文上的）小体积相结合，意味着密度极高。在这种密度下，很难想象任何类型的物质都不会坍塌形成黑洞。
刚刚描述的红外结果得到了射电波长观测的完美补充。为了识别Sgr A的红外对应物*时，需要将射电源的位置精确地传送到红外图像上。一种巧妙的方法是利用无线电和红外波段的可见光源将参照系连在一起。理想的来源是巨大的红星，它们在红外波段很亮，并从周围的分子中发出强烈的无线电波。通过匹配这些恒星在两个波段的位置，Sgr A的射电位置*可传输到红外图像，精度为0.001秒弧。这种技术放置Sgr A*精确地定位在绕轨道运行的恒星的引力中心。
恒星轨道中有多少暗物质可以与射电源SGRA直接关联*? Sgr是A吗*一颗恒星，它会像其他恒星一样在强引力场中以每秒一万公里的速度运动。只有Sgr A*如果它的质量非常大，它就会移动得很慢。Sgr A的位置*已经用VLBI技术监测了二十多年，揭示了它在银河系的动力中心基本上是静止的。具体来说，Sgr A的组件*它垂直于银河系平面的固有运动速度不足每秒一公里。相比之下，这比地球绕太阳公转的速度慢30倍。Sgr A*基本上是静止的，锚定星系中心需要Sgr A*它的质量是太阳的40万倍。
最近的VLBI观测表明，Sgr的射电发射的大小*比水星轨道内的能量要少。合并这个Sgr A可用的卷*在其质量的下限下，产生了惊人的高密度。这个密度与黑洞的最终极限相差不到10倍。在如此极端的密度下，有充分的证据表明Sgr A*是一个超大质量的黑洞。
这些发现因其直接和简单而优雅。恒星的轨道提供了一个绝对清晰和毫不含糊的证据，证明存在一个看不见的巨大质量浓度。发现致密射电源Sgr A*处于看不见的质量的精确位置，并且静止不动，这为超大质量黑洞提供了更令人信服的证据。它们一起构成了一个简单、独特的证明，超大质量黑洞的奇妙概念确实是一个现实。约翰·米歇尔（John Michell）和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）会惊讶地发现，他们对黑洞的猜测不仅被证明是正确的，而且远远超出了他们的想象。
马克·J·里德是哈佛和史密森天体物理中心的高级天文学家。他在全球范围内同时使用射电望远镜获取新生恒星和垂死恒星以及黑洞的最高分辨率图像。
这篇文章在黑洞研究所的作文比赛中获得了第二名。
