探索銀河系中心的超大黑洞

銀河系的中心要比我們預想的更加黑暗——這並不僅僅因為那裡是一個超大質量黑洞的家。

在距離我們超過25,000光年之外有一個近距宇宙中最神秘的地方。它是我們銀河系被塵埃所遮蔽的中心，那裡擠滿了橫衝直撞的恆星。在銀河系的最中央，天文學家懷疑潛伏著一個質量超過太陽400萬倍的巨型黑洞。被稱為人馬座A*的這個超大質量黑洞因其對時空結構的扭曲正在撕裂恆星，引發一場恆星騷亂。

類似的超大質量黑洞被認為存在於每一個星系的中心。通過觀測恆星圍繞它的轉動，直到最近我們才確認了它的存在。它為我們在最極端環境下檢驗愛因斯坦的廣義相對論提供了理想的場所。

雖然我們銀河系的中心可以作為研究其他星系中所發生過程的實驗室，但對它的首批觀測還是給我們帶來了許多意想不到的事情。最近的觀測顯示，銀河系的中心還存在著第二個「洞」——一個只包含一些年輕恆星而沒有年老恆星的神秘空白區。

之前對銀心的觀測發現了幾十顆年輕的恆星，它們所發出的明亮藍色輻射強得足以衝破籠罩它們的塵埃。天文學家認為它們只是更多恆星的冰山一角，大量更年老恆星所發出的微弱光線被年輕恆星的所掩蓋了。

然而，當三個天文學家小組獨立地把他們手中能夠穿透銀心周圍塵埃的紅外望遠鏡對準那裡的時候，這一切都改變了。當他們掃視銀河系的時候，他們看到了數千顆年老的恆星。但是，當他們觀測非常靠近銀心的地方時，恆星的數量便出現了銳減，並且發現了一個直徑3光年的區域，其中的恆星極為匱乏。

[圖片說明]：錢德拉X射線天文台拍攝的銀心區域，人馬座A*就位於圖中央的白色光斑中。版權：NASA/CXC/UMass/D. Wang等人。

這個「洞」的故事

這是一個極大的意外，因為它違背了我們對於在銀心處該發生什麼的設想。人馬座A*周圍的引力場被認為強到足以能束縛住它附近的恆星超過數十億年。那為什麼在銀心處卻沒有較為年老的恆星呢？

最簡單而直接的解釋是，即使是最新的紅外望遠鏡也還沒有靈敏到能檢測出這些微弱的光線。但還有一個更令人興奮的可能性，那就是銀心周圍其實被許多難以看到的緻密天體所佔據，例如超新星爆炸後留下的中子星和恆星質量黑洞——它們幾乎不發出輻射。如果這種說法是正確的，它表明在銀心形成的絕大部分恆星都是能以超新星的形式結束自己生命的大質量恆星。這將使該區域與我們所觀測到的所有其他地方都截然不同。

但是，這個解釋也存在問題。其中主要的一個是，這些大質量恆星不會獨自形成、長大，少量小質量恆星也應該在那裡形成。在這些小質量恆星生命的盡頭，它們會演化成應該很容易就能被看到的紅巨星。那麼，為什麼我們還沒有看到它們呢？一種可能是，恆星質量黑洞吃掉了所有這些紅巨星。但這其實很難奏效，因為它所需要的黑洞質量比銀心最內部已知存在的100萬個太陽質量還要高。

一個更奇特的解釋是，在過去的某個時間，銀河系與另一個星系發生了併合，外來的超大質量黑洞吞噬了一些銀河系的恆星。此外人馬座A*本身也可以造成其周圍恆星的缺失。任何進入超大質量黑洞周圍約5光分（相當於9,000萬千米）距離內的恆星都會被撕裂，由此可能會導致恆星的消失。

[圖片說明]：對銀心附近恆星的觀測。實心圓圈為觀測到的恆星位置，虛線是由觀測結果推算出的軌道。可以看到迄今只有S2完成了繞銀心轉動一周的運動。版權：Keck/UCLA Galactic Center Group。

盯上這個「洞」

用人馬座A*來解釋依然存在破綻，於是有人提出一個稍有不同的方案。經計算髮現，圍繞人馬座A*的恆星軌道隨著時間會變得越來越長、越來越扁。最終，這些恆星會由於過於靠近中央黑洞而被吞噬。不過，這個理論也有問題。由於恆星在不斷形成，為了創建一個無星區，你不但要把恆星送入超大質量黑洞的口中，還要阻止其他恆星進入這一區域。但是，很難想出有什麼辦法能阻擋恆星進入銀心。

因此，儘管已經有了很多的想法，但這個謎依舊。目前的天文觀測結果也不足以真正地確定這些解釋中哪一個最有可能，或者完全排除掉某一個。現在只能假設，那裡有個「洞」，但我們不知曉確切的原因。為了找到答案，我們將不得不更靠近銀河系中心的這個怪物。

幸運的是，許多技術正在使天文學家能做到這一點。這些技術同時還可以幫助我們實現一個更深刻的願望——對愛因斯坦的廣義相對論進行檢驗。廣義相對論在行星、恆星和星系附近的影響已經被探測過，每一次它都以優異的成績通過了測試。至今廣義相對論還沒有被檢驗過的地方就是黑洞的極端引力場，那裡的空間和時間都遭到了極強的扭曲。通過觀測物質究竟是如何落入黑洞的，天文學家希望能判斷黑洞是否真的如廣義相對論所描繪的那樣。

到目前為止最有前景的技術是甚長基線干涉測量（VLBI），它綜合了世界各地射電望遠鏡所接收到的信號來模擬出一個猶如地球一樣大的無線。這個虛擬天線可以分辨出天體的微小細節，但即便如此它還沒有強大到能識別出這個超大質量黑洞最顯著的特徵：它的視界。視界是下落的物質一去不復返的地方，它直徑約1,500萬千米，相當於地球到太陽的距離的十分之一——這在天文上根本微不足道。即使是迄今最好的人馬座A*的圖像，仍然模糊了3倍。

[圖片說明]：根據黑洞無毛定理，用質量、自轉和電量即可描述一個黑洞的所有特性。不過在現實宇宙中，黑洞很容易就能通過吸積異性電荷來呈電中性，因此這三個量中就只剩下了質量和自轉。版權：NASA。

不過，有一個辦法可以提高VLBI的解析度，那就是觀測比現今所用厘米波波長更短的波段。通過在1.3毫米甚至0.87毫米的波長上來觀測，這項技術應該最終能夠看到視界附近正在發生的事情。

即便如此，事情也不會這麼很容易。我們試圖觀測的射電波是由盤旋著掉入超大質量黑洞的電離氣體所發射出的。為了在這個黑洞附近檢驗廣義相對論，我們不得不首先要用計算機來模擬螺旋運動的氣體，預測它的射電輻射，並與觀測結果相比較。VLBI是一種很有前途的技術，但它不可能給我們提供一個乾淨的信號。這是它惱人的地方。

其他天文學家則發現了一條更乾淨地探測人馬座A*的途徑：觀測圍繞它公轉的單顆恆星。他們已經觀測了距離銀心100光天範圍內20顆極為明亮的恆星的軌道。

在這其中有一顆恆星極為突出，它被稱為S2，質量達太陽的20倍。S2是唯一一顆已經被觀測到圍繞銀心公轉一周的恆星，完成這一旅程它花了15年的時間。由此，天文學家計算出銀河系中央超大質量黑洞的質量是太陽的430萬倍，略高於原先的估計。

請不要忘記，直至現在這仍是銀河系中心存在一個超大質量黑洞的唯一間接證據。由於它的引力影響著附近恆星的運動，因此我們知道那裡有某個大質量天體，而最有可能是一個黑洞。但我們同樣也需要直接的證據來確定。現在的希望是，像S2這樣的恆星不僅將為此提供證據，而且還能讓我們來檢驗最受我們青睞的黑洞理論。

其中之一就是黑洞無毛定理。它認為黑洞其實非常簡單，用它的質量以及自轉的速度就足以對其進行充分地描述。有理論物理學家建議，通過研究銀心超大質量黑洞附近恆星的軌道，就可以來檢驗這個定理，進而驗證廣義相對論。一個方法是觀測一顆恆星圍繞銀心公轉許多圈。愛因斯坦的理論預言，這顆恆星軌道中最靠近銀心的那一點會隨著時間逐漸變化。如果無毛定理正確，那麼這個「進動」的速率就只取決於黑洞的質量和自轉速度，而和其他的無關。如果能追蹤兩顆恆星的軌道那就更妙了。這樣就你可以使用這兩顆恆星的軌道關係來消掉黑洞的質量，由此進動將只依賴於黑洞的自轉。如果事實證明進動其實依賴更複雜的東西，那麼無毛定理就將被證明是錯誤的。如果真是這樣的話，那麼廣義相對論也將同樣被證明是錯誤的。因此，其科學回報是很高的。

[圖片說明]：歐洲南方天文台4架甚大望遠鏡組成的干涉儀將綜合來自4架望遠鏡的光線，追蹤物質掉入黑洞前的最後一刻。版權：G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO。

另一種檢驗相對論的方法是使用脈衝星。這些超新星爆炸遺留下的超高密度天體會以極高的速度自轉，每轉一圈其猶如燈塔一般的射電波束就會掃過天空。這使得它們成為了極其精準的守時工具。如果在銀心處存在脈衝星，那麼我們也許能夠檢驗另一個相對論效應——引力時間膨脹，即在大質量天體周圍的彎曲時空中時間流逝得較慢。探測到這個效應，我們就有了存在一個超大質量黑洞的證據。

新的目標

不幸的是，脈衝星本身極為暗弱，這使它們難以在多塵的銀心處被發現。但天文學家正開始嘗試探測銀河系中所有的脈衝星，很有希望會在銀心找到它們。

廣義相對論目前還沒有受到威脅。到目前為止，S2是唯一一顆軌道在人馬座A*附近1光天之內的恆星。要真正探測這個超大質量黑洞周圍的時空，我們還需要觀測更多靠近銀心的恆星。

為此天文學家目前正在升級由夏威夷兩架10米凱克望遠鏡所組成的紅外干涉儀。與此同時，他們還正在建造一台儀器，它能夠綜合來自歐洲南方天文台四架甚大望遠鏡所收集的近紅外輻射，進而以前所未有的解析度測量這些暗弱的天體。他們希望由此能觀測到位於幾倍於超大質量黑洞視界直徑範圍內運動的恆星。這台儀器預計會在2013年投入使用。

數十億年來在銀河系的中央一直隱藏著它最深的秘密。不過，也許要不了幾年我們最終就能直擊這個超大質量的黑洞。

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