谁吞噬了银河系中心的恒星

Marcus Chown

银河系的中心要比我们预想的更加黑暗——这并不仅仅因为那里是一个超大质量黑洞。

在距离地球约25 000光年的地方，有一处非常神秘的所在。它是银河系被尘埃遮蔽的中心，那里挤满了横冲直撞的恒星。天文学家怀疑，在银河系的最中央潜伏着一个质量超过太阳400万倍的巨型黑洞——人马座A*。直到最近，我们才通过观测恒星围绕它的转动确认了它的存在。这个超大质量黑洞造成了时空结构的巨大扭曲，而这种扭曲正在撕裂恒星，引发一场恒星骚乱。这为我们在最极端环境下检验爱因斯坦的广义相对论提供了理想的场所。

宇宙学家认为，在每一个星系的中心都存在类似的超大质量黑洞。银河系中心是我们研究其他同类星系的最佳标本，对它的观测还给我们带来了许多意想不到的收获。最近的观测显示，银河系中心还存在第二个洞——一个只包含一些年轻恒星的神秘空白区。

之前，天文学家在银河系中心发现了几十颗年轻的恒星，它们发出的明亮蓝色辐射强得足以冲破笼罩它们的尘埃。天文学家认为它们只是更多恒星的冰山一角，大量更年老的恒星发出的微弱光线被这些年轻恒星的光掩盖了。

然而，当三个天文学家小组分别把他们手中能够穿透银河系中心周围尘埃的红外望远镜对准那里的时候，这一切都改变了。他们扫视银河系的时候，看到了数千颗年老的恒星。但是，当他们观测非常靠近银河系中心的地方时，发现恒星的数量出现了锐减，有一个直径3光年的区域几乎没有恒星。

这个“洞”的故事

这是一个极大的意外，因为它违背了我们对银河系中心的设想。人马座A*周围的引力场被认为强到足以束缚它附近的恒星超过数十亿年，为什么在银河系中心却没有较为年老的恒星呢？

最简单而直接的解释是，即使最新的红外望远镜也没有灵敏到能检测出这些微弱光线的程度。另一个更令人兴奋的可能就是银河系中心周围其实被许多难以看到的致密天体占据，例如超新星爆炸后留下的中子星和恒星质量的黑洞——它们几乎不发出辐射。如果这种猜测是正确的，就表明在银河系中心形成的绝大部分恒星都是能以超新星的形式结束自己生命的大质量恒星。这将使该区域与我们观测到的所有其他地方截然不同。

但是，这个解释也存在问题。其中主要的问题是，这些大质量恒星不会独自形成、长大，少量小质量恒星也应该在那里形成。在这些小质量恒星生命的尽头，它们应该会演化成很容易就被看到的红巨星。那么，为什么我们没有看到它们呢？一种可能是，恒星质量的黑洞吃掉了所有这些红巨星。但这种情况其实很难发生，因为它需要的黑洞质量比银河系中心最内部已知的100万个太阳质量还要高。

一个更奇特的解释是，在过去的某个时间，银河系与另一个星系发生了合并，外来的超大质量黑洞吞噬了银河系的一些恒星。此外，人马座A*本身也可以造成其周围恒星的缺失。任何进入超大质量黑洞周围约5光分（相当于9000万千米）距离内的恒星都会被撕裂，由此可能导致恒星的消失。

盯上这个“洞”

用人马座A*来解释依然存在破绽，于是有人提出了一个稍有不同的方案。经计算发现，围绕人马座A*运行的恒星的轨道会随着时间推移变得越来越长、越来越扁。最终，这些恒星会由于过于靠近中央黑洞而被吞噬。不过，这个理论也有问题。由于恒星在不断形成，要形成一个无星区，不但需要恒星不断滑入超大质量黑洞的口中，还要阻止其他恒星进入这一区域。很难想出有什么办法能阻挡恒星进入银河系中心。

因此，尽管已经有了很多假设，但这个谜依旧。目前的天文观测结果也不足以真正地确定这些解释中哪一个最有可能，或者完全排除哪一个。现在只能假设，那里有个“洞”，但我们不知道这个“洞”产生的确切原因。为了找到答案，我们不得不更靠近银河系中心的这个怪物。

幸运的是，许多技术正在帮助天文学家做到这一点。同时，这些技术还可以帮助我们实现一个更远大的愿望——对爱因斯坦的广义相对论进行检验。广义相对论已经在行星、恒星和星系附近被验证了，每次它都以优异的成绩通过了测试。但至今它还没有在黑洞的极端引力场中被检验过，那里的空间和时间都遭到了极强的扭曲。天文学家希望能通过观测物质究竟是如何落入黑洞的，来判断黑洞是否真的如广义相对论描绘的那样。

到目前为止，最有前景的技术是甚长基线干涉测量（VLBI），它综合了世界各地射电望远镜接收到的信号，模拟出一个犹如地球一样大的天线。这个虚拟天线可以分辨出天体的微小细节，但即便如此，它还没有强大到能识别出超大质量黑洞最显著的特征——事件视界。视界是下落物体一去不复返的地方，它的直径约1500万千米，相当于地球到太阳距离的1%——这个距离在天文上根本微不足道。即使是迄今最好的人马座A*的图像，仍然只能

达到其1/3的清晰度。这相当于在纽约辨认柏林的一枚银币上的日期。

不过，有一个办法可以提高VLBI的分辨率，那就是观测比现今所用厘米波波长更短的波段，即在1.3毫米甚至0.87毫米的波长上来观测。这项技术应该能让我们看到人马座A*的视界附近正在发生的事情。

即便如此，事情也不会这么容易。我们试图观测的射电波是由盘旋着掉入超大质量黑洞的电离气体发射出来的。为了在这个黑洞附近检验广义相对论，我们不得不先用计算机模拟螺旋运动的气体，预测它的射电辐射，并与观测结果相比较。VLBI是一种很有前途的技术，但它无法给我们提供一个干净的信号，这是它恼人的地方。

其他天文学家则发现了一条更干净地探测人马座A*的途径：观测围绕它公转的单颗恒星。他们已经观测了距离银河系中心100光天范围内的20颗极为明亮的恒星的轨道。其中有一颗恒星特别突出，它被称为S2，质量是太阳的20倍。S2是唯一被观测到的已经围绕银河系中心公转一周的恒星，它花了15年的时间完成这一旅程。由此，天文学家计算出银河系中央超大质量黑洞的质量是太阳的430万倍，略高于原先的估计。

但请不要忘记，直至现在，这仍是银河系中心存在一个超大质量黑洞的唯一间接证据。由于它的引力影响着附近恒星的运动，所以我们知道那里有一个大质量天体，而它最可能是一个黑洞。但我们同样需要直接的证据来确定。现在的希望是，像S2这样的恒星不仅将为此提供证据，还能让我们检验最受我们青睐的黑洞理论。

其中之一就是黑洞无毛定理，认为黑洞其实非常简单，用它的质量以及自转的速度就能对其进行充分描述。有理论物理学家认为，通过研究银河系中心超大质量黑洞附近恒星的轨道，就可以检验这个定理，进而验证广义相对论。一个方法是观测。爱因斯坦的理论预言，一颗围绕银河系中心公转的恒星，其轨道上最靠近银河系中心的那一点会随着时间逐渐变化。如果无毛定理正确，那么这个进动的速率只取决于黑洞的质量和自转速度，而和其他的无关。如果能追踪两颗恒星的轨道就更妙了。这样你就可以利用这两颗恒星的轨道关系来消除黑洞的质量，由此进动将只依赖黑洞的自转。如果事实证明进动依赖更复杂的东西，那么无毛定理就将被证明是错

误的。如果真是这样的话，那么广义相对论也将被证明是错误的。因此，其科学回报是很大的。

另一种检验相对论的方法是使用脉冲星。这些超新星爆发遗留下的超高密度天体会以极高的速度自转，每转一圈，其犹如灯塔的射电波束就会扫过天空。正是由于其极强的规律性，它们成了宇宙中极其精准的时钟。如果银河系中心存在脉冲星，那么我们也许能够检验另一个相对论效应——引力时间膨胀，即在大质量天体周围的弯曲时空中时间流逝得较慢。只要探测到这个效应，我们就有了一个超大质量黑洞存在的证据。

新的目标

不幸的是，脉冲星极为暗弱，这使它们难以在多尘的银河系中心被发现。但天文学家正尝试探测银河系中所有的脉冲星，很有希望在银河系中心找到它们。

目前，广义相对论还没有受到威胁，而S2是已知的轨道距人马座A*在1光天之内的唯一恒星。要想真正探测这个超大质量黑洞周围的时空，我们还需要观测更多靠近银河系中心的恒星。

为此，天文学家正在升级由设在夏威夷的两架10米凯克望远镜组成的红外干涉仪。与此同时，他们还在建造一台仪器，它能够综合欧洲南方天文台的4架甚大望远镜收集的近红外辐射数据，进而以前所未有的分辨率观测那些暗弱的天体。他们希望能由此观测到运行在几倍于超大质量黑洞视界直径范围内的恒星。

数十亿年来，银河系的中央一直隐藏着它最深的秘密。不过，也许要不了多久，我们就能直击这个区域。