繼 2017 年的諾貝爾物理獎致敬重力波的研究，2019 年致敬宇宙學（以及系外行星），今年的諾貝爾物理獎再次表彰了與相對論相關的領域 — 黑洞。

今年的得主包括數學物理學家羅傑 · 潘洛斯（Roger Penrose），表彰他在六零年代「發現了黑洞的形成是廣義相對論的健全預測」，以及兩位天文物理學家賴因哈德 · 根策爾（Reinhard Genzel）與安德烈婭 ·蓋茲（Andrea Ghez），以表彰自九零年代以來兩位得主各自率領團隊致力於對銀河系中心的長期觀測而「發現了銀河系中心超大質量的緻密物質」。目前公認銀河系中心存在約有四百萬個太陽質量的超大質量黑洞。讓我們透過今年諾貝爾物理獎得主的成就，看看黑洞天文物理學發生的故事吧！



在 1915 年愛因斯坦提出廣義相對論，用彎曲時空的架構取代了牛頓的重力概念。數學上,彎曲時空可以用有十個分量的時空度規(metric) 描述，並在弱重力與物理運動狀況遠小於光速的情況下，回歸到牛頓的重力位能描述。 數月後，德國數學家史瓦西（Schwarzschild） 便找出第一個廣義相對論中所允許的時空解，也開啟黑洞研究的大門。史瓦西考慮了一個球對稱的時空中具有一個質量 M的物體,除此之外空無一物，並假設在無限遠的地方時空趨於平坦(無重力)。史瓦西的解透露出，當物體的尺寸趨於一個半徑趨近於零的點 (一個密度為無限大的奇異點)時，能造成了一個連光都「有進無出」的時空結構，此結構後來稱為「事件視界」（event horizon），其大小由所謂的「史瓦西半徑」描述。因為我們無法觀測到事件視界內部,因此事件視界也常常被稱為黑洞的表面。如果黑洞真的存在的話，黑洞將是一個體積比任何同質量物體都還要小的天體。想像一下，我們需要將太陽縮小 106 倍，才能塞進一個太陽質量黑洞的事件視界裡。