2020年度诺贝尔物理学奖颁发给了三位对证明黑洞存在做出杰出贡献的科学家，其中一位是在纯理论上证明了黑洞的存在，他就是与霍金共同证明过奇性定理的英国物理学家罗杰·彭罗斯。另外两位则是在观测中发现银河系中心存在超大质量不可见天体的天文学家莱因哈德·根策尔和安德莉娅·盖兹。

这可谓是理论与观测齐飞。而作为广义相对论最难证明的预言之一，黑洞的身份算是被正式承认了，虽然在颁奖理由中，对银河系中心天体并没有使用“黑洞”这个名称，而是使用“超大质量的致密天体”这种描述，但在给彭罗斯的颁奖理由中是非常明确的用了“黑洞”这个词。

那么为什么诺贝尔奖委员会会在这个时候才承认黑洞这个已经被主流科学家承认多年的天体？很明显是与近年爆发式的各种黑洞相关的重大天文发现有关，这些来自各种观测手段，各个观测团队的观测结果都不容置疑地证明了黑洞的真实存在！所以我们下面来盘点一下这些年我们一起看到过的黑洞。

天鹅座X-1射线源

这是最早发现黑洞的间接证据了，上世纪60年代中期，天文学家在天鹅座发现了6000光年外一个不断发射X射线的双星系统，根据观测确定它们其中之一是一颗质量为20-40倍太阳质量的恒星，按照其光度，它不会是X射线的发射源，而X射线源一个是它的伴星，但这颗伴星几乎是不可见的，但根据轨道运动推测其质量约为太阳的8.7倍，但这颗伴星在可见光和无线电波段都基本上不可见，这样的质量在可见光波段却不可见，科学家由此判断它是一个致密天体，当时理论上已知的致密天体有白矮星、中子星和黑洞，按照其8.7倍的太阳质量，理论上判断是一个黑洞。据说霍金为此与好友基普·索恩（稍后还有他，这里不做介绍）打赌，霍金故意说那里不是黑洞，这样他如果赢了，就获得赌注，如果输了，他毕生研究的黑洞就被证明存在，他同时会成为最大的赢家！精明的霍金最后承认输掉了赌局，而自己则成为了黑洞研究的第一权威。

银河系中心超大质量不可见天体

虽然天鹅座X-1被霍金以承认落败的方式宣告为黑洞，但毕竟那不是一个非常有力的直接证据，因此，在很长时间里，人们都依然认为黑洞尚未被证实。在几年前，还有很多人持这样的观点，不过我那时就指出，黑洞已经被观测证实了！不是天鹅座X射线源，而是银河系中心黑洞！

早在上世纪70年代中期，天文学家就通过射电望远镜确定了银河系中心存在一个较强的射电源，因处在人马座里面，因此标记为人马座A*（Sgr A*）。科学家估计那里是一个黑洞，但由于银河系中心附近与地球之间存在大量的星际尘埃，可见光辐射很难穿透出来，对进一步的观测造成极大的困难。

直到20年后的1995年，有两个研究团队同时开展对银心（银河系中心）射电源人马座A*的观测，以确定其天体性质。这两个团队就是今年共同获得诺贝尔物理学奖的根策尔和盖兹团队。

由于无法通过可见光进行观测，盖兹选择了最接近可见光的红外波段进行观测，红外波段是能通过光学望远镜进行观测的最长波段，通过大口径的光学望远镜可以获得人马座A*周围恒星的光谱，而盖兹使用的是位于夏威夷莫纳克亚山上10米口径的凯克望远镜。获得恒星光谱后，就可以利用光谱分析法获得恒星视向速度（又称径向速度）的精确数据。

利用凯克望远镜，她很快发现了一颗短周期的恒星，编号为S0-2，据观测分析它的公转周期约为16年，沿一个椭圆轨道绕中心一个不可见的天体（人马座A*）公转。当它在2002年经过近心点时，距离中心的人马座A*仅120个天文单位（1个天文单位=太阳到地球的平均距离，约为1.5亿公里），而最快时其运动速度高达5000km/s,盖兹团队据此推算出其中心天体人马座A*的质量约为太阳质量的400万倍（这个质量值前后改过好几次，不要在意这些细节……），如果观测无误，在这么小范围内（不到120个天文单位）集中了如此高的质量，而又在红外波段基本看不见，这在理论上似乎只有一种可能——黑洞。

而我们前面说了，是两个团队进行了相同的观测，而他们得到的观测结果是一致的！因此可以认为观测无误，那么结论就是：人马座A*射电源是一个质量约为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。而后续更多恒星的观测结果印证了这一点，毫无疑问那就是个黑洞。

所以，其实在盖兹他们发布这个观测结果以后，我认为黑洞已经被证实了。但不知为何，这个重大发现当时并没有像后来的引力波一样马上被授予诺贝尔奖（其实我觉得它本身就是诺贝尔奖级别的重大发现）。也许正因如此，科学爱好者群体里依然流传着黑洞只是一种假说的传言。直到另一次的重大天文发现……

聆听时空的琴弦——双黑洞合并引力波

2015年9月14日，一阵13.4亿光年（410百万秒差距）外发出的时空涟漪拂过地球，在LIGO（激光干涉引力波天文台）位于美国西北海岸的汉福德和南海岸利文斯顿两个相距3000km的真空激光干涉仪几乎同时记录下了这段时空的琴音，两者接收到信号的时间仅相差7毫秒。

根据数值模拟的理论模型比对，这个引力波事件来自两个质量分别为36倍和29倍太阳质量的黑洞合并成一个62倍太阳质量的黑洞过程中所释放的引力波，引力波的总能量约为3个太阳质量，这次引力波事件中没有发现电磁波信号。

此次引力波的周期从30Hz开始被探测到，直到240Hz左右结束，这意味着产生引力波的两个天体以每秒15圈-每秒120圈的速度在绕转（每转一圈会产生两个周期的引力波，因为两个黑洞各靠近地球方向一次）！按照理论模型，这两个产生引力波的天体在200公里距离时产生的引力波频率高达100Hz，这意味着它们约每秒共同绕质心旋转50圈，这样，其公转线速度将高达62800km/s左右，相当于光速的21%！在这么近的距离上以这样高的速度绕转，这两个天体只能是黑洞，没有别的选择了，要知道这200公里只有国际空间站距离海平面的一半。

因此，这次引力波事件的发现再一次毫无争议地证明黑洞的存在。但是，这引力波比对用的理论模型靠谱吗？

引力波模型的最强验证——双中子星合并引力波

在第一次引力波发现后，大家主流存在两种观点，一种是引力波会马上颁发当年的诺贝尔物理学奖，另一种则认为这个发现还够不着。我当时是第三种观点：需要多一个验证，至少得位于欧洲的Virgo引力波探测器也同时测到才算，理想情况是要其它观测手段同时观测到引力波事件。因为只有后者才能真正验证理论模型的真实性。

不过这个终极验证来得有点快，在次年8月17日的一次双中子星合并事件让全球所有天文观测手段共同验证了引力波模型的真实性。

这次引力波事件几乎同时被LIGO的两个干涉仪和Virgo的一个干涉仪探测到，并在探测到引力波合并信号的1.7秒后，费米伽马射线空间望远镜探测到一次伽马射线短爆，随后，全球各国把从射电、红外、可见光到X射线在内的大量地面和空间望远镜同时对准了LIGO和Virgo给出的引力波源所在天区，在所有波段都获得了该引力波事件的电磁信号。这次全球性合作的联合观测严格证明了引力波比对模型的正确性，证明了此前的引力波事件确实为双黑洞合并产生，而这次的成功观测也正式开启了多信使天文学！当年的诺贝尔物理学奖毫无悬念地颁给了LIGO的三位发起人。

很明显，这个时候黑洞的存在已经毫无争议了，那首先观测并确认银心黑洞的根策尔和盖兹也该发个奖了，不过并没有……

黑洞存在的终极证据——视界面望远镜拍摄到人类首张黑洞照片

时间到了2019年4月，全球多家天文台联合参与的视界面望远镜计划，由分别在全球多个地区的毫米波射电望远镜组成的射电干涉阵列，成功拍摄到了人类首张黑洞照片，黑洞的形状与理论完全吻合，黑洞的存在已经是不容置疑的铁一般事实了。

迟来的诺贝尔奖

至此，根策尔和盖兹的奖也该颁了，但可能由于此时已经错过了诺贝尔奖年度提名的时间，两人再度错失2019年度的诺贝尔物理学奖，奖项颁给了另一个与天文学相关的宇宙微波背景辐射和系外行星探测，直到今年在所有人的意料之外，诺贝尔奖委员会连续两年颁给了天文学，根策尔和盖兹与证明黑洞理论的彭罗斯共同获得了2020年度诺贝尔物理学奖。故事完满结束。