揪出銀河系中心的怪獸

編譯 喬琦

與其他星座一樣，人馬座這片黑暗天區(qū)中同樣散布著點(diǎn)點(diǎn)繁星，只是它們普遍沒有那么亮，顯得灰蒙蒙的。在那里，一顆名為S2（有時(shí)也稱S-02）的小恒星正在永恒的邊緣巡航。每16年，S2就會(huì)穿越一個(gè)神秘黑暗天體的勢(shì)力范圍，后者大概有400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)那么重，正正好好占據(jù)著銀河系的中心位置。

歐洲南方天文臺(tái)（歐南臺(tái)）的甚大望遠(yuǎn)鏡

在過(guò)去的20年里，有兩個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)都想要驗(yàn)證阿爾伯特·愛因斯坦對(duì)宇宙做出的最奇怪預(yù)測(cè)（廣義相對(duì)論），他們互為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，不約而同地把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了遠(yuǎn)在26 000光年以外的這顆恒星，S2。天文學(xué)家強(qiáng)烈懷疑，在S2的不遠(yuǎn)處坐落著一個(gè)碩大無(wú)比的黑洞，它是恒星的吞噬者，也是整個(gè)銀河系的奠基者。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都希望能在觀測(cè)過(guò)程中確認(rèn)這個(gè)超大質(zhì)量黑洞的存在。

在之前的幾個(gè)月里，S2一直在惴惴不安地奔向它距銀河系中心最近的位置。這一過(guò)程讓我們重新認(rèn)識(shí)了極端環(huán)境下的引力行為，也為我們研究銀河系大本營(yíng)中的這個(gè)不可見怪獸的性質(zhì)提供了線索。

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)之一是一個(gè)以德國(guó)及智利科學(xué)家為主體的國(guó)際合作小組，由來(lái)自馬克斯·普朗克地外物理研究所的萊茵哈德·根策爾（Reinhard Genzel）領(lǐng)銜。他表示，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了迄今為止能夠證明這個(gè)黑暗實(shí)體就是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的最有力證據(jù)，而且這個(gè)無(wú)底洞的質(zhì)量是414萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

證據(jù)來(lái)自那些環(huán)繞著銀河系中心運(yùn)動(dòng)的氣體云。根策爾博士的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些氣體云大概每45分鐘就能繞銀河系中心走一圈，也就是以光速的30%運(yùn)動(dòng)1.5億英里。它們實(shí)在是離這個(gè)疑似黑洞的天體太近了，根據(jù)愛因斯坦的物理學(xué)理論，如果它們?cè)偻镆稽c(diǎn)，就會(huì)一頭扎進(jìn)去。

除了黑洞之外，天體物理學(xué)家想不到還有什么天體能夠有這么大的質(zhì)量卻僅占據(jù)一個(gè)如此有限的軌道。

這個(gè)結(jié)果“有力證明”了位于人馬座的這個(gè)看不見的天體“確實(shí)就是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞”，根策爾博士的團(tuán)隊(duì)在一篇署名為“引力研究合作小組”（也就是他們自己這個(gè)團(tuán)隊(duì)）的論文中如是寫道。該論文于10月31日發(fā)表在歐洲天文學(xué)期刊《天文與天體物理》（Astronomy & Astrophysics，簡(jiǎn)稱A&A）上。

“這是迄今為止，我們用直接空間解析技術(shù)觀測(cè)到的最接近超大質(zhì)量黑洞的區(qū)域?！备郀柌┦吭陔娮余]件中說(shuō)。

這項(xiàng)工作的成果確實(shí)有助于我們證明天文學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)的猜測(cè)，但離嚴(yán)格證明下面這個(gè)猜想還差得很遠(yuǎn)：不僅銀河系中心潛藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，許多可觀測(cè)星系的中心都是如此。因此，星系內(nèi)的所有天體環(huán)繞著星系中心運(yùn)動(dòng)，但時(shí)間和空間在這里終結(jié)，任何墜入星系中心的恒星都會(huì)永遠(yuǎn)消失。

萊茵哈德·根策爾是位于慕尼黑的馬克斯·普朗克地外物理研究所的負(fù)責(zé)人。他一直在觀測(cè)人馬座的恒星S2，希望能夠借助這個(gè)天體認(rèn)證銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的存在

從這項(xiàng)工作中獲取的新數(shù)據(jù)同樣有助于解釋，像這樣的黑洞為何能夠造成如此之大的破壞——大到整個(gè)宇宙都能見到。從很早之前開始，天文學(xué)家就一直能觀測(cè)到奇異的類星體和綿延數(shù)千光年的劇烈能量流從銀河系中心噴涌而出。

斯坦福大學(xué)卡夫里粒子天體物理和宇宙學(xué)研究所主任羅杰·布蘭德福德（Roger Blandford）說(shuō)，現(xiàn)在我們有了不可撼動(dòng)的強(qiáng)力證據(jù)，證明超大質(zhì)量黑洞就是這種現(xiàn)象出現(xiàn)的源頭。

“現(xiàn)在要想推翻這個(gè)觀點(diǎn)，你就必須提出大量反面證據(jù)，”他在電子郵件中寫道，“關(guān)鍵是要弄清楚這些現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制，比如吸積盤、噴流等。這就有點(diǎn)像是在知道太陽(yáng)是個(gè)高溫氣態(tài)星球之后，努力探究熱核反應(yīng)的原理。”

哈佛-史密松天體物理研究中心的射電天文學(xué)家謝潑德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）稱這項(xiàng)工作為“曠世杰作”。杜勒曼博士致力于銀河系中心的研究，并且希望有朝一日能夠借助“視界望遠(yuǎn)鏡”這種行星級(jí)尺寸的工具繪制黑洞的真實(shí)圖像。

這項(xiàng)研究同樣也是歐洲南方天文臺(tái)的一大勝利。這個(gè)總部位于慕尼黑、天文臺(tái)建于智利的多國(guó)合作機(jī)構(gòu)已經(jīng)將針對(duì)S2和銀河系中心黑洞的研究設(shè)為重大研究課題。該機(jī)構(gòu)的觀測(cè)儀器包括：甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope，簡(jiǎn)稱VLT），是一組由設(shè)置在智利阿塔卡馬沙漠（在007系列電影《大破量子危機(jī)》中有出鏡）中的4架子望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡陣列；以及VLT所在地附近一座山頭上的極大望遠(yuǎn)鏡（Extremely Large Telescope，簡(jiǎn)稱ELT），ELT目前尚在建造之中，建成后將是世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

愛因斯坦的噩夢(mèng)

馬克斯·普朗克研究所的一面墻上張貼著各類星系的照片，其中有些星系的名字很有特色，比如左下角的黑眼星系或者左二的草帽星系（NGC4594）

黑洞——一種密度大到連光都無(wú)法逃逸的天體——是愛因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)驚人產(chǎn)物。廣義相對(duì)論認(rèn)為，我們稱之為“引力”的這種現(xiàn)象，實(shí)際上是時(shí)空幾何的一種扭曲。根據(jù)這個(gè)理論，當(dāng)某個(gè)地方集中了太多物質(zhì)或能量后，時(shí)空就會(huì)產(chǎn)生變化：時(shí)間會(huì)變慢，物質(zhì)會(huì)收縮并且消失在那些宇宙天坑（也就是黑洞）里。

愛因斯坦本人并不喜歡黑洞這個(gè)概念，但現(xiàn)在科學(xué)界的主流觀點(diǎn)是，宇宙里到處散布著黑洞。其中有許多都是死亡恒星的殘骸，還有一些則奇重?zé)o比，能夠達(dá)到幾百萬(wàn)甚至幾十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。幾乎每個(gè)星系的中心（當(dāng)然也包括我們的銀河系）都好像駐扎著這樣的超大質(zhì)量天體。它們很可能就是黑洞，但現(xiàn)在天文學(xué)家急于弄明白的是，這些天體的性質(zhì)是否符合愛因斯坦理論的預(yù)測(cè)。

盡管自愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對(duì)論開始，人們就一直視這個(gè)理論為普適的宇宙定律，但大多數(shù)理論學(xué)家認(rèn)為，要想解釋各種神秘現(xiàn)象，廣義相對(duì)論最終還是需要修改的。這些神秘現(xiàn)象包括：黑洞中心究竟發(fā)生了什么，或者說(shuō)時(shí)間誕生之初究竟發(fā)生了什么？為什么星系會(huì)在那些性質(zhì)不明的物質(zhì)（暗物質(zhì)）的作用下聚合在一起？與此同時(shí)，那股稱為“暗能量”的神秘力量又是如何將這些緊密結(jié)合的星系團(tuán)分開的？

兩年前，科學(xué)家確認(rèn)了較小質(zhì)量黑洞的存在。當(dāng)時(shí)，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）觀測(cè)到了10億光年之外兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，引力波。不過(guò)，這兩個(gè)黑洞分別只有20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量那么重。對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，超大質(zhì)量黑洞的性質(zhì)仍舊是一個(gè)非常令人好奇的課題。

“我們已經(jīng)知道，愛因斯坦的引力理論在處理極端問(wèn)題時(shí)還存在一些爭(zhēng)議，”加州大學(xué)洛杉磯分校教授安德莉亞·吉茲（Andrea Ghez）說(shuō)，“要想尋找理論與現(xiàn)實(shí)之間的差異，還有什么地方能好過(guò)超大質(zhì)量黑洞？”與根策爾博士一樣，吉茲博士也領(lǐng)導(dǎo)著一支正在探索銀河系中心的獨(dú)立科研團(tuán)隊(duì)?！拔抑韵矚g研究銀河系中心，是因?yàn)槲覀兛梢栽谀莾河^測(cè)到天體物理學(xué)在極端條件下的狀況?！彼f(shuō)。

盡管名為黑洞，超大質(zhì)量黑洞其實(shí)是宇宙中最為明亮的天體之一。物質(zhì)掉入其中時(shí)會(huì)釋放出海量能量。這些能量足以制造出類星體。從20世紀(jì)60年代初開始，類星體這種遙遠(yuǎn)的微弱射電信標(biāo)就一直令地球上的天文學(xué)家困惑不已。

加州大學(xué)洛杉磯分校的天體物理學(xué)家、教授安德莉亞·吉茲。她是另一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，該團(tuán)隊(duì)同樣也在觀測(cè)S2以期獲得能夠證明銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)

天文學(xué)家早就開始懷疑，銀河系中心可能也在發(fā)生類似的事兒，一大標(biāo)志就是那個(gè)區(qū)域里有一個(gè)名為人馬座A*的明亮射電源。然而，銀河系中心為塵埃所籠罩，這就導(dǎo)致我們無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的天文學(xué)觀測(cè)手段看到這個(gè)天體。

望向黑暗深處

萊茵哈德·根策爾成長(zhǎng)于德國(guó)黑森林里的小城市弗萊堡。年輕的時(shí)候，他是德國(guó)最好的標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員之一，甚至能與國(guó)家隊(duì)一起備戰(zhàn)1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)?，F(xiàn)在，他的“標(biāo)槍”擲向了更遠(yuǎn)的地方。

20世紀(jì)80年代，根策爾拜入激光發(fā)明者之一、諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家查爾斯·湯斯（Charles Townes）的門下，進(jìn)入加州大學(xué)伯克利分校作博士后研究。他曾在最近的一次電話訪談中表示：“湯斯對(duì)我很好，我覺得自己就像是他的小兒子一樣?！闭菑哪菚r(shí)起，根策爾對(duì)銀河系中心的這個(gè)黑暗天體產(chǎn)生了興趣。

在20世紀(jì)80年代初的一系列具有開創(chuàng)意義的觀測(cè)中，借助能夠“看透”銀河系塵埃的紅外輻射（或者說(shuō)熱輻射）探測(cè)器，湯斯博士、根策爾博士以及他們的同事發(fā)現(xiàn)，繞著銀河系中心運(yùn)動(dòng)的氣體云的速度實(shí)在是太快了，只有重達(dá)大約400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的天體所產(chǎn)生的引力才能讓它們留在現(xiàn)有軌道上。然而，無(wú)論真正在那兒的天體究竟是什么，它都沒有發(fā)出任何星光。即便是地球上最好的望遠(yuǎn)鏡，從26 000光年遠(yuǎn)處觀測(cè)銀河系中心，所看到的也只不過(guò)是一團(tuán)模糊。

無(wú)論我們的銀河系中心究竟發(fā)生了什么，此后的兩項(xiàng)進(jìn)展都為我們更直觀、更形象地研究這個(gè)問(wèn)題做出了貢獻(xiàn)。其一是在20世紀(jì)90年代，科學(xué)家也能更多地使用原本出于軍事目的而制造的紅外探測(cè)器了。其二則是光學(xué)技術(shù)的發(fā)展顯著提高了望遠(yuǎn)鏡的性能。通過(guò)大氣湍流補(bǔ)償技術(shù)，望遠(yuǎn)鏡能夠看到許多之前無(wú)法看到的小細(xì)節(jié)。（正是這些大氣湍流導(dǎo)致我們看到的恒星變得模糊、并且不?！罢Ｑ邸薄＃?/p>

借助這些靈敏的“眼睛”，天文學(xué)家在朦朦朧朧的銀河系中心發(fā)現(xiàn)了成百上千顆恒星，它們都沿著一個(gè)直徑大約0.1光年的近圓形軌道作快速周期運(yùn)動(dòng)。其中之一就是根策爾博士稱為“S2”，而吉茲博士稱為“S-02”的這顆恒星。這是一顆年輕的藍(lán)色恒星，沿著一根非常扁長(zhǎng)的軌道運(yùn)行，并且每16年就會(huì)穿越離疑似黑洞之“嘴”僅有110億英里的地方。

最令人擔(dān)心的是，根據(jù)愛因斯坦的理論，這顆以每秒5000英里的速度沿著雞蛋形軌道疾馳的恒星，應(yīng)該經(jīng)歷了宇宙中的所有奇異之處。這顆恒星表面遭受的強(qiáng)烈引力會(huì)減緩光波的振動(dòng)，將其拉長(zhǎng)。于是，從地球上看來(lái)，它會(huì)變得比正常狀態(tài)更紅一些。

這種稱為“引力紅移”的現(xiàn)象，正是根據(jù)愛因斯坦理論做出的第一批預(yù)言之一。S2的發(fā)現(xiàn)使得天文學(xué)家有機(jī)會(huì)在自然條件（引力無(wú)比巨大的黑洞附近）下觀測(cè)這種現(xiàn)象。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，揚(yáng)帆起航

要想開展這個(gè)實(shí)驗(yàn)，天文學(xué)家需要知道這顆恒星的精確軌道，這就要求他們用地球上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡一連對(duì)其觀測(cè)上20年?！?0年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，只為得到這張討論桌旁的一個(gè)座位?！?995年加入此項(xiàng)研究的吉茲博士如是說(shuō)。

一張銀河系中心的照片，人馬座A＊就在其中。這張照片由歐南臺(tái)帕瑞納天文臺(tái)的VISTA望遠(yuǎn)鏡拍攝。該天文臺(tái)就坐落于緊挨著VLT的一座山峰上

于是，這項(xiàng)深空探測(cè)競(jìng)賽就有了來(lái)自兩個(gè)不同大陸的研究小組的加入。吉茲博士的工作設(shè)備是坐落于莫納克亞火山（該火山位于夏威夷最大的島嶼上）的10米凱克望遠(yuǎn)鏡。根策爾博士的團(tuán)隊(duì)則受益于歐南臺(tái)在智利建造的全新VLT望遠(yuǎn)鏡。

位于智利的帕瑞納天文臺(tái)

歐洲團(tuán)隊(duì)還有一件新裝備，那就是一架名為“引力”（Gravity）的干涉儀，它能將來(lái)自VLT4個(gè)望遠(yuǎn)鏡成員的光組合起來(lái)，這進(jìn)一步幫助了根策爾博士團(tuán)隊(duì)?！耙Α备缮鎯x由馬克斯·普朗克研究所弗蘭克·艾森豪爾（Frank Eisenhauer）領(lǐng)銜的一支龐大團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)，它的出現(xiàn)使得這個(gè)由4個(gè)小望遠(yuǎn)鏡組成的觀測(cè)陣列的精度可以和一架直徑130米的單鏡相媲美。艾森豪爾博士在一封電子郵件中說(shuō)道，這架干涉儀的名字其實(shí)是一個(gè)很長(zhǎng)的詞組的首字母縮寫。該詞組包含像“廣義”（general）、“相對(duì)論”（relativity）、“干涉”（interferometry）這樣的詞匯。

“突然，我們的觀測(cè)能力比之前提高了1000倍，”當(dāng)這個(gè)設(shè)備于2016年投入使用時(shí)，根策爾博士如是說(shuō)。另外，他們還可以使用VLT日復(fù)一日地追蹤恒星S2的運(yùn)動(dòng)。

與此同時(shí)，吉茲博士正通過(guò)分析S2的可變光譜，計(jì)算這顆恒星的速度變化。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈、交替領(lǐng)先，雙方都在尋找更大、更強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡，都在孜孜不倦地探尋S2的真實(shí)性質(zhì)。2012年，在S2最接近黑洞的這6個(gè)月里，根策爾博士和吉茲博士分享了當(dāng)年的克勞福德天文學(xué)獎(jiǎng)?？藙诟５陋?jiǎng)是幾乎與諾貝爾獎(jiǎng)齊名的重大科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，每年1月公布獲獎(jiǎng)?wù)撸?月頒獎(jiǎng)。

“4月中旬，出現(xiàn)了一個(gè)來(lái)自S2的信號(hào)，然后我們就開始源源不斷地收到信息，真是太令人激動(dòng)了?！奔澆┦空f(shuō)。

7月26日，根策爾博士和艾森豪爾博士在慕尼黑召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布他們觀測(cè)到了夢(mèng)寐以求的引力紅移現(xiàn)象。當(dāng)艾森豪爾博士展示出觀測(cè)結(jié)果（符合預(yù)期中的觀測(cè)曲線）的時(shí)候，臺(tái)下掌聲雷鳴、經(jīng)久不息。

艾森豪爾博士宣告：“通往黑洞物理學(xué)的路已經(jīng)徹底敞開了?！?/p>

在一個(gè)月后的一封電子郵件中，根策爾博士解釋說(shuō)，探測(cè)到引力紅移現(xiàn)象只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步：“我一直是個(gè)很清醒的人，有時(shí)甚至有些悲觀，但你應(yīng)該能從我寫下的只言片語(yǔ)里察覺到，我因這些美妙的觀測(cè)結(jié)果而興奮無(wú)比。作為一個(gè)66歲的科學(xué)家，我得說(shuō)，這樣的重大發(fā)現(xiàn)可遇而不可求。那還不得及時(shí)行樂！”

10月初，吉茲博士表示，她的團(tuán)隊(duì)不久后也將發(fā)表成果。他們此前一直在等待S2進(jìn)入下一個(gè)軌道運(yùn)行階段，然后再觀測(cè)一次。

藏匿在銀河系中心的怪獸

此時(shí)，根策爾博士還在繼續(xù)收獲他所謂的“大自然的贈(zèng)禮”。

重大突破出現(xiàn)了：他的團(tuán)隊(duì)在一個(gè)極小的模糊熱團(tuán)塊中探測(cè)到了熱斑（或者說(shuō)“耀斑”）存在的證據(jù)，這直接標(biāo)明了那個(gè)疑似黑洞天體的位置。一個(gè)重達(dá)400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞應(yīng)該有一張“嘴”（或者說(shuō)“視界”），其直徑大約是1 600萬(wàn)英里 ——實(shí)在是太小了，小到地球上的“引力”干涉儀都無(wú)法將其分辨出來(lái)。

這些熱斑同樣小到無(wú)法辨識(shí)，但它們會(huì)影響到熱團(tuán)塊，使其一側(cè)的熱量多于另一側(cè)。結(jié)果就是，根策爾博士的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱斑繞著S2轉(zhuǎn)的時(shí)候，相對(duì)于S2所在的位置，那個(gè)熱團(tuán)塊的中心會(huì)出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移（或者說(shuō)能量波動(dòng)）的現(xiàn)象。

根策爾博士表示，最后結(jié)果就是“我們?cè)谔炜罩锌吹搅艘粋€(gè)小的磁回路”。后來(lái)他又補(bǔ)充道：“這是我們第一次用物理實(shí)驗(yàn)室里的那種空間解析方式，研究這些重要磁結(jié)構(gòu)。”

據(jù)他推斷，這些熱斑可能是由磁場(chǎng)中的激波產(chǎn)生的，就和太陽(yáng)表面噴出的太陽(yáng)耀斑一樣。不過(guò)，根策爾團(tuán)隊(duì)也在論文中謹(jǐn)慎地表示，這個(gè)模型可能過(guò)于簡(jiǎn)單了。根策爾博士說(shuō)，相對(duì)論效應(yīng)將黑洞的鄰居變成了無(wú)數(shù)面鏡子，通過(guò)它們，我們可以一窺黑洞的面貌，“目前，我們的陳述還太模糊，沒有太多證據(jù)。我們必須繼續(xù)深入研究，這樣才能更好地理解這些‘鏡中現(xiàn)象’，還原出事情的真相。”

目前，S2已經(jīng)完成了2018年的“走秀”，開始遠(yuǎn)離黑洞。根策爾博士希望，明年，當(dāng)這顆恒星在離黑洞更遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們能夠獲取更多數(shù)據(jù)。通過(guò)來(lái)年進(jìn)一步的觀測(cè)，我們也許能夠徹底究明S2的運(yùn)動(dòng)軌道，或許還能解答其他問(wèn)題，比如黑洞是否真的拽著時(shí)空一起旋轉(zhuǎn)，就像攪面團(tuán)一樣？

不過(guò)，根策爾博士也在電子郵件中表示，要想做出比現(xiàn)有成就更高的發(fā)現(xiàn)，恐怕是頗為困難了。目前，對(duì)我們這個(gè)“從銀河系鄉(xiāng)下來(lái)的小男孩”來(lái)說(shuō)，能把400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)壓縮到體積半徑不高于45天文單位的空間中去，已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)了不起且值得我們深入研究許久的壯舉了。