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、物理学家和天文学家交谈，理论家与观察家交谈，一系列预定事件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。
我们很高兴为您呈现一组论文，这些论文是由我们的高级教师从BHI首届论文比赛的众多申请中精心挑选出来的。获胜的散文将在此发布鹦鹉螺在接下来的五个星期里，从第五名开始，一直到第一名。我们希望你会像我们一样喜欢它们。
个罗卜(Avi)
Frank B. Baird, Jr.哈佛大学科学教授
哈佛大学天文学系主任
黑洞倡议(BHI)创始董事
一世在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。
天文学家们现在确信，当大质量恒星通过其核燃料燃烧时，它们会坍缩成近乎虚无的状态，并形成一个黑洞。虽然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恒星的物质浓缩成单个超大质量黑洞的可能性更为神奇。然而天文学家现在确信超大质量黑洞的存在，并且在宇宙中1000亿个星系的大部分中心都有发现。
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，当时天文学家将他们的视野扩展到我们眼睛敏感的非常窄的波长范围之外。发现了非常强的无线电波源，当确定了准确的位置后，发现许多无线电波源都集中在遥远的星系上。此后不久，无线电天线连接在一起，大大提高了角度分辨率。这些新的“干涉仪”揭示了一幅完全出乎意料的星系射电发射图像——无线电波似乎不是来自星系本身，而是来自对称分布在星系周围的两个巨大“波瓣”。图一显示了这样一个名为天鹅座a的“射电星系”的例子。射电波瓣可以是宇宙中最大的结构之一，比星系本身大上百倍。
巨大的无线电波是如何被激发的?它们围绕一个星系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痕迹或“喷流”证实了这种关系，追踪从叶状体发出的无线电辐射到精确的星系中心的一个非常紧凑的源。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技术(VLBI)的出现，在该技术中，来自地球各地天线的无线电信号被结合起来，以获得一个地球大小的望远镜的角度分辨率!通过VLBI观测得到的射电图像很快揭示出，以星系标准来看，射电星系中心的源是“微观的”，甚至比太阳和离我们最近的恒星之间的距离还小。
当天文学家计算出电源无线电裂片所需的能量时，它们被震惊。它需要1000万星才能“蒸发”，使用爱因斯坦着名方程式将其质量转化为能源E.=mc2！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*比我们太阳系的大小要紧凑得多。然而，没有任何明显的光学、红外甚至X射线发射源可以确定它，它的性质仍然是神秘的。
与此同时，高分辨率红外相机的发展揭示了银河系中心密集的星团。这些恒星在光学波长下是看不见的，因为可见光被中间的尘埃完全吸收了。然而，在红外波段，10%的星光进入我们的望远镜，天文学家已经测量这些恒星的位置超过20年了。这些观测结果的最终重要发现是，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被追踪到了一个完整的轨道，如图二的左面板所示。
部分轨道跟随了许多恒星，并且所有这些都与关于单个对象的轨道一致。已经观察到两颗恒星在我们的太阳系大小范围内接近中心，这是银河系标准非常小。此时，重力是如此强大，星星在近10,000公里的每秒足够速度的轨道上，足以在一秒钟内穿过地球！这些测量毫无疑问，星星正在响应太阳的400万次的不间断质量。将这种质量与由恒星轨道表示的（天文学上）的小体积相结合意味着非常高的密度。在这种密度，很难想象任何类型的物质如何不会崩溃形成黑洞。
刚才描述的红外结果与射电波长的观测结果完美地互补。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*精确地位于轨道恒星的引力中心位置。
恒星轨道内的黑质肿块可以直接与无线电源SGR A直接相关*？是人马座A*如果是一颗恒星，它将在强大的引力场中以每秒10000公里的速度运动，就像观测到的其他恒星一样。只有当Sgr A*它的质量非常大，移动速度会很慢。Sgr A的位置*已经被VLBI技术监测了20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，是Sgr A的组分*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*本质上是静止的，并将其固定在银河中心需要Sgr A*它的质量是太阳的400000倍。
最近的VLBI观察结果表明，SGRA的无线电发射的大小*比水星轨道内的能量要小。合并此卷可供Sgr A使用*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*是一个超级分类的黑洞。
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明确的证据，证明了巨大的看不见的质量浓度。发现紧凑型无线电源Sgr A*处于看不见的质量的精确位置，动态为超大分离的黑洞提供了更加令人信服的证据。他们在一起形成一个简单，独特的演示，即超级分类的黑洞的神奇概念确实是现实。John Michell和Pierre-Simon Laplace将令人震惊地知道他们对黑洞的猜想不仅是正确的，而且比他们所想象的要大得多。
Mark J. Reid是Astrophysics，Harvard＆Smithsonian中心的高级天文学家。他同时使用全球的无线电望远镜，以获得新生儿和垂死的星星的最高分辨率图像，以及黑洞。
这篇文章在黑洞研究所的作文比赛中获得了第二名。
