揪出银河系中心的怪兽

编译 乔琦

与其他星座一样，人马座这片黑暗天区中同样散布着点点繁星，只是它们普遍没有那么亮，显得灰蒙蒙的。在那里，一颗名为S2（有时也称S-02）的小恒星正在永恒的边缘巡航。每16年，S2就会穿越一个神秘黑暗天体的势力范围，后者大概有400万个太阳那么重，正正好好占据着银河系的中心位置。

欧洲南方天文台（欧南台）的甚大望远镜

在过去的20年里，有两个天文学家团队都想要验证阿尔伯特·爱因斯坦对宇宙做出的最奇怪预测（广义相对论），他们互为竞争对手，不约而同地把望远镜对准了远在26 000光年以外的这颗恒星，S2。天文学家强烈怀疑，在S2的不远处坐落着一个硕大无比的黑洞，它是恒星的吞噬者，也是整个银河系的奠基者。这两个团队都希望能在观测过程中确认这个超大质量黑洞的存在。

在之前的几个月里，S2一直在惴惴不安地奔向它距银河系中心最近的位置。这一过程让我们重新认识了极端环境下的引力行为，也为我们研究银河系大本营中的这个不可见怪兽的性质提供了线索。

两个研究团队之一是一个以德国及智利科学家为主体的国际合作小组，由来自马克斯·普朗克地外物理研究所的莱茵哈德·根策尔（Reinhard Genzel）领衔。他表示，他们已经发现了迄今为止能够证明这个黑暗实体就是一个超大质量黑洞的最有力证据，而且这个无底洞的质量是414万个太阳质量。

证据来自那些环绕着银河系中心运动的气体云。根策尔博士的团队发现，这些气体云大概每45分钟就能绕银河系中心走一圈，也就是以光速的30%运动1.5亿英里。它们实在是离这个疑似黑洞的天体太近了，根据爱因斯坦的物理学理论，如果它们再往里一点，就会一头扎进去。

除了黑洞之外，天体物理学家想不到还有什么天体能够有这么大的质量却仅占据一个如此有限的轨道。

这个结果“有力证明”了位于人马座的这个看不见的天体“确实就是一个超大质量黑洞”，根策尔博士的团队在一篇署名为“引力研究合作小组”（也就是他们自己这个团队）的论文中如是写道。该论文于10月31日发表在欧洲天文学期刊《天文与天体物理》（Astronomy & Astrophysics，简称A&A）上。

“这是迄今为止，我们用直接空间解析技术观测到的最接近超大质量黑洞的区域。”根策尔博士在电子邮件中说。

这项工作的成果确实有助于我们证明天文学家长期以来的猜测，但离严格证明下面这个猜想还差得很远：不仅银河系中心潜藏着一个超大质量黑洞，许多可观测星系的中心都是如此。因此，星系内的所有天体环绕着星系中心运动，但时间和空间在这里终结，任何坠入星系中心的恒星都会永远消失。

莱茵哈德·根策尔是位于慕尼黑的马克斯·普朗克地外物理研究所的负责人。他一直在观测人马座的恒星S2，希望能够借助这个天体认证银河系中心超大质量黑洞的存在

从这项工作中获取的新数据同样有助于解释，像这样的黑洞为何能够造成如此之大的破坏——大到整个宇宙都能见到。从很早之前开始，天文学家就一直能观测到奇异的类星体和绵延数千光年的剧烈能量流从银河系中心喷涌而出。

斯坦福大学卡夫里粒子天体物理和宇宙学研究所主任罗杰·布兰德福德（Roger Blandford）说，现在我们有了不可撼动的强力证据，证明超大质量黑洞就是这种现象出现的源头。

“现在要想推翻这个观点，你就必须提出大量反面证据，”他在电子邮件中写道，“关键是要弄清楚这些现象的产生机制，比如吸积盘、喷流等。这就有点像是在知道太阳是个高温气态星球之后，努力探究热核反应的原理。”

哈佛-史密松天体物理研究中心的射电天文学家谢泼德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）称这项工作为“旷世杰作”。杜勒曼博士致力于银河系中心的研究，并且希望有朝一日能够借助“视界望远镜”这种行星级尺寸的工具绘制黑洞的真实图像。

这项研究同样也是欧洲南方天文台的一大胜利。这个总部位于慕尼黑、天文台建于智利的多国合作机构已经将针对S2和银河系中心黑洞的研究设为重大研究课题。该机构的观测仪器包括：甚大望远镜（Very Large Telescope，简称VLT），是一组由设置在智利阿塔卡马沙漠（在007系列电影《大破量子危机》中有出镜）中的4架子望远镜组成的望远镜阵列；以及VLT所在地附近一座山头上的极大望远镜（Extremely Large Telescope，简称ELT），ELT目前尚在建造之中，建成后将是世界上最大的光学望远镜。

爱因斯坦的噩梦

马克斯·普朗克研究所的一面墙上张贴着各类星系的照片，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——一种密度大到连光都无法逃逸的天体——是爱因斯坦广义相对论的一个惊人产物。广义相对论认为，我们称之为“引力”的这种现象，实际上是时空几何的一种扭曲。根据这个理论，当某个地方集中了太多物质或能量后，时空就会产生变化：时间会变慢，物质会收缩并且消失在那些宇宙天坑（也就是黑洞）里。

爱因斯坦本人并不喜欢黑洞这个概念，但现在科学界的主流观点是，宇宙里到处散布着黑洞。其中有许多都是死亡恒星的残骸，还有一些则奇重无比，能够达到几百万甚至几十亿个太阳质量。几乎每个星系的中心（当然也包括我们的银河系）都好像驻扎着这样的超大质量天体。它们很可能就是黑洞，但现在天文学家急于弄明白的是，这些天体的性质是否符合爱因斯坦理论的预测。

尽管自爱因斯坦创立广义相对论开始，人们就一直视这个理论为普适的宇宙定律，但大多数理论学家认为，要想解释各种神秘现象，广义相对论最终还是需要修改的。这些神秘现象包括：黑洞中心究竟发生了什么，或者说时间诞生之初究竟发生了什么？为什么星系会在那些性质不明的物质（暗物质）的作用下聚合在一起？与此同时，那股称为“暗能量”的神秘力量又是如何将这些紧密结合的星系团分开的？

两年前，科学家确认了较小质量黑洞的存在。当时，激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到了10亿光年之外两个黑洞碰撞产生的时空涟漪，引力波。不过，这两个黑洞分别只有20个太阳质量和30个太阳质量那么重。对天文学家来说，超大质量黑洞的性质仍旧是一个非常令人好奇的课题。

“我们已经知道，爱因斯坦的引力理论在处理极端问题时还存在一些争议，”加州大学洛杉矶分校教授安德莉亚·吉兹（Andrea Ghez）说，“要想寻找理论与现实之间的差异，还有什么地方能好过超大质量黑洞？”与根策尔博士一样，吉兹博士也领导着一支正在探索银河系中心的独立科研团队。“我之所以喜欢研究银河系中心，是因为我们可以在那儿观测到天体物理学在极端条件下的状况。”她说。

尽管名为黑洞，超大质量黑洞其实是宇宙中最为明亮的天体之一。物质掉入其中时会释放出海量能量。这些能量足以制造出类星体。从20世纪60年代初开始，类星体这种遥远的微弱射电信标就一直令地球上的天文学家困惑不已。

加州大学洛杉矶分校的天体物理学家、教授安德莉亚·吉兹。她是另一个科研团队的负责人，该团队同样也在观测S2以期获得能够证明银河系中心存在超大质量黑洞的证据

天文学家早就开始怀疑，银河系中心可能也在发生类似的事儿，一大标志就是那个区域里有一个名为人马座A*的明亮射电源。然而，银河系中心为尘埃所笼罩，这就导致我们无法通过传统的天文学观测手段看到这个天体。

望向黑暗深处

莱茵哈德·根策尔成长于德国黑森林里的小城市弗莱堡。年轻的时候，他是德国最好的标枪运动员之一，甚至能与国家队一起备战1972年慕尼黑奥运会。现在，他的“标枪”掷向了更远的地方。

20世纪80年代，根策尔拜入激光发明者之一、诺贝尔奖得主、物理学家查尔斯·汤斯（Charles Townes）的门下，进入加州大学伯克利分校作博士后研究。他曾在最近的一次电话访谈中表示：“汤斯对我很好，我觉得自己就像是他的小儿子一样。”正是从那时起，根策尔对银河系中心的这个黑暗天体产生了兴趣。

在20世纪80年代初的一系列具有开创意义的观测中，借助能够“看透”银河系尘埃的红外辐射（或者说热辐射）探测器，汤斯博士、根策尔博士以及他们的同事发现，绕着银河系中心运动的气体云的速度实在是太快了，只有重达大约400万个太阳质量的天体所产生的引力才能让它们留在现有轨道上。然而，无论真正在那儿的天体究竟是什么，它都没有发出任何星光。即便是地球上最好的望远镜，从26 000光年远处观测银河系中心，所看到的也只不过是一团模糊。

无论我们的银河系中心究竟发生了什么，此后的两项进展都为我们更直观、更形象地研究这个问题做出了贡献。其一是在20世纪90年代，科学家也能更多地使用原本出于军事目的而制造的红外探测器了。其二则是光学技术的发展显著提高了望远镜的性能。通过大气湍流补偿技术，望远镜能够看到许多之前无法看到的小细节。（正是这些大气湍流导致我们看到的恒星变得模糊、并且不停“眨眼”。）

借助这些灵敏的“眼睛”，天文学家在朦朦胧胧的银河系中心发现了成百上千颗恒星，它们都沿着一个直径大约0.1光年的近圆形轨道作快速周期运动。其中之一就是根策尔博士称为“S2”，而吉兹博士称为“S-02”的这颗恒星。这是一颗年轻的蓝色恒星，沿着一根非常扁长的轨道运行，并且每16年就会穿越离疑似黑洞之“嘴”仅有110亿英里的地方。

最令人担心的是，根据爱因斯坦的理论，这颗以每秒5000英里的速度沿着鸡蛋形轨道疾驰的恒星，应该经历了宇宙中的所有奇异之处。这颗恒星表面遭受的强烈引力会减缓光波的振动，将其拉长。于是，从地球上看来，它会变得比正常状态更红一些。

这种称为“引力红移”的现象，正是根据爱因斯坦理论做出的第一批预言之一。S2的发现使得天文学家有机会在自然条件（引力无比巨大的黑洞附近）下观测这种现象。

两个团队，扬帆起航

要想开展这个实验，天文学家需要知道这颗恒星的精确轨道，这就要求他们用地球上最强大的望远镜一连对其观测上20年。“20年的观测数据，只为得到这张讨论桌旁的一个座位。”1995年加入此项研究的吉兹博士如是说。

一张银河系中心的照片，人马座A＊就在其中。这张照片由欧南台帕瑞纳天文台的VISTA望远镜拍摄。该天文台就坐落于紧挨着VLT的一座山峰上

于是，这项深空探测竞赛就有了来自两个不同大陆的研究小组的加入。吉兹博士的工作设备是坐落于莫纳克亚火山（该火山位于夏威夷最大的岛屿上）的10米凯克望远镜。根策尔博士的团队则受益于欧南台在智利建造的全新VLT望远镜。

位于智利的帕瑞纳天文台

欧洲团队还有一件新装备，那就是一架名为“引力”（Gravity）的干涉仪，它能将来自VLT4个望远镜成员的光组合起来，这进一步帮助了根策尔博士团队。“引力”干涉仪由马克斯·普朗克研究所弗兰克·艾森豪尔（Frank Eisenhauer）领衔的一支庞大团队设计研发，它的出现使得这个由4个小望远镜组成的观测阵列的精度可以和一架直径130米的单镜相媲美。艾森豪尔博士在一封电子邮件中说道，这架干涉仪的名字其实是一个很长的词组的首字母缩写。该词组包含像“广义”（general）、“相对论”（relativity）、“干涉”（interferometry）这样的词汇。

“突然，我们的观测能力比之前提高了1000倍，”当这个设备于2016年投入使用时，根策尔博士如是说。另外，他们还可以使用VLT日复一日地追踪恒星S2的运动。

与此同时，吉兹博士正通过分析S2的可变光谱，计算这颗恒星的速度变化。这两个团队竞争激烈、交替领先，双方都在寻找更大、更强的望远镜，都在孜孜不倦地探寻S2的真实性质。2012年，在S2最接近黑洞的这6个月里，根策尔博士和吉兹博士分享了当年的克劳福德天文学奖。克劳福德奖是几乎与诺贝尔奖齐名的重大科学奖项，每年1月公布获奖者，4月颁奖。

“4月中旬，出现了一个来自S2的信号，然后我们就开始源源不断地收到信息，真是太令人激动了。”吉兹博士说。

7月26日，根策尔博士和艾森豪尔博士在慕尼黑召开新闻发布会，宣布他们观测到了梦寐以求的引力红移现象。当艾森豪尔博士展示出观测结果（符合预期中的观测曲线）的时候，台下掌声雷鸣、经久不息。

艾森豪尔博士宣告：“通往黑洞物理学的路已经彻底敞开了。”

在一个月后的一封电子邮件中，根策尔博士解释说，探测到引力红移现象只是万里长征的第一步：“我一直是个很清醒的人，有时甚至有些悲观，但你应该能从我写下的只言片语里察觉到，我因这些美妙的观测结果而兴奋无比。作为一个66岁的科学家，我得说，这样的重大发现可遇而不可求。那还不得及时行乐！”

10月初，吉兹博士表示，她的团队不久后也将发表成果。他们此前一直在等待S2进入下一个轨道运行阶段，然后再观测一次。

藏匿在银河系中心的怪兽

此时，根策尔博士还在继续收获他所谓的“大自然的赠礼”。

重大突破出现了：他的团队在一个极小的模糊热团块中探测到了热斑（或者说“耀斑”）存在的证据，这直接标明了那个疑似黑洞天体的位置。一个重达400万个太阳质量的黑洞应该有一张“嘴”（或者说“视界”），其直径大约是1 600万英里 ——实在是太小了，小到地球上的“引力”干涉仪都无法将其分辨出来。

这些热斑同样小到无法辨识，但它们会影响到热团块，使其一侧的热量多于另一侧。结果就是，根策尔博士的团队发现，当热斑绕着S2转的时候，相对于S2所在的位置，那个热团块的中心会出现能量转移（或者说能量波动）的现象。

根策尔博士表示，最后结果就是“我们在天空中看到了一个小的磁回路”。后来他又补充道：“这是我们第一次用物理实验室里的那种空间解析方式，研究这些重要磁结构。”

据他推断，这些热斑可能是由磁场中的激波产生的，就和太阳表面喷出的太阳耀斑一样。不过，根策尔团队也在论文中谨慎地表示，这个模型可能过于简单了。根策尔博士说，相对论效应将黑洞的邻居变成了无数面镜子，通过它们，我们可以一窥黑洞的面貌，“目前，我们的陈述还太模糊，没有太多证据。我们必须继续深入研究，这样才能更好地理解这些‘镜中现象’，还原出事情的真相。”

目前，S2已经完成了2018年的“走秀”，开始远离黑洞。根策尔博士希望，明年，当这颗恒星在离黑洞更远的轨道上运动时，他们能够获取更多数据。通过来年进一步的观测，我们也许能够彻底究明S2的运动轨道，或许还能解答其他问题，比如黑洞是否真的拽着时空一起旋转，就像搅面团一样？

不过，根策尔博士也在电子邮件中表示，要想做出比现有成就更高的发现，恐怕是颇为困难了。目前，对我们这个“从银河系乡下来的小男孩”来说，能把400万个太阳质量的物质压缩到体积半径不高于45天文单位的空间中去，已经是一个相当了不起且值得我们深入研究许久的壮举了。