黑洞是人们很熟悉的天体，是宇宙中最黑的区域，因为任何物质，包括光，都不可能从中逃逸出来。如果某个天体足够小，处于一个边界内，就形成黑洞。这个边界叫做事件视界，简称视界，是时空中的单向边界，因为任何物体如果落到视界之内，就再也不能出去。质量越小，视界越小。对于与太阳同质量的天体，视界半径1.5公里，而对于与地球同质量的天体，视界半径只有4.5毫米。黑洞的内部有一个奇点，在这里密度和时空的弯曲程度无穷大。

这些都是爱因斯坦广义相对论的预言。广义相对论是关于万有引力的标准理论。

宇宙中所有的天体运动都由万有引力主宰。三百多年前，牛顿提出万有引力定律，告诉人们，任何两个有质量的物体之间都存在引力。因此地球围绕太阳运动，树上的苹果会落地。

而爱因斯坦1915年提出广义相对论，将万有引力归结于时空的弯曲。引力很弱的时候，广义相对论近似于万有引力定律，否则必须用广义相对论描述宇宙天体。广义相对论解释了水星的运动轨迹，因为它离太阳很近，受到的引力比较强。广义相对论也预言了远方恒星发来的光经过太阳附近时，因为太阳的引力而发生偏折。广义相对论还预言了引力波。2015年，LIGO探测器直接探测到引力波，关键的科学家因此获得2017年诺奖。

如果引力非常强，时空极度弯曲，时空就会形成黑洞。爱因斯坦发表广义相对论后，不到一个月，就收到在前线担任炮兵中尉的施瓦西寄来的论文，提出，对于完美球体产生的引力场，广义相对论允许黑洞可以存在。当然，“黑洞”这个名词是20世纪60年代才开始使用。

1939年，美国物理学奖奥本海默（后来的原子弹之父）和学生弗尔科夫以及施耐德研究了黑洞的形成过程。恒星中燃料耗尽后，发生超星系爆发，然后在自身引力的作用下，发生塌缩。如果质量足够大，就会形成黑洞，具有视界和奇点。但是和施瓦西类似，他们也假设了完美的球对称，因此受到包括爱因斯坦在内的科学家的普遍怀疑。

1964年，在类星体发现的驱动下，英国数学家、数学物理学家彭罗斯在广义相对论框架中证明，在很宽泛的条件下（主要条件是要求塌缩物质的能量是非负的），黑洞确实能够形成，包围一个奇点。这叫奇点定理。

虽然施瓦西在广义相对论刚发表就提出了黑洞，后来奥本海默及其学生又证明了大质量恒星塌缩导致黑洞，但是他们都假设了球对称，而现实中的情形是复杂多样的，往往没有严格的球对称。彭罗斯发现了黑洞形成几乎是广义相对论下的必然，意味着在复杂的现实中，足够大质量的引力塌缩必然导致黑洞。

这个工作被当作爱因斯坦以后广义相对论最重要的工作。彭罗斯也因此获得今年诺贝尔物理学奖的一半。 

分享另一半奖金的根策尔和盖兹是观测天文学家。他们各自领导一个天文学小组，从1990年代开始，用世界上最大的望远镜，集中观测银河系中心区域人马座（Sagittarius） A*的恒星。根策尔小组使用了位于智利的新技术望远镜（NTT），后来转移到也是位于智利的甚大望远镜（VLT）。盖兹小组使用位于夏威夷的Keck望远镜。他们最初都使用斑点成像法，后来都使用了适应性光学技术以及敏感的数字光感应器，分辨率比之前提高了千倍。两个小组得到了一致的结果。

银河系中心的这些恒星的运动表明，在银河系中心存在看不见的超大天体，质量高达4百万太阳质量。根据观测结果，这个超大天体被解释为超大质量黑洞。他们的工作成为银河系中心超大质量黑洞的最强证据。

这个超大质量黑洞正是最近引入注目的事件视界望远镜（EHT）的下一个观测目标。最近公布的黑洞照片是位于M87星系中心的超大质量黑洞。

彭罗斯长期任职于英国牛津大学，根策尔任职于德国马克斯·普朗克地外物理研究所以及美国加州大学伯克利分校，盖兹任职于美国加州大学洛杉矶分校。

盖兹成为有史以来第四位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。在她之前，居里夫人（Marie Curie）因为放射性现象研究分享1903年诺贝尔物理学奖，玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）因为原子核壳层结构研究分享1963年诺贝尔物理学奖，唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）因为高强度超短激光脉冲的产生方法分享2018年诺贝尔物理学奖。

可以预料，将来会有更多的女性以及更多的天体物理工作获得诺贝尔物理学奖。

参考文献：

[1] 2020年诺贝尔物理学奖官方文件。