銀河系的中心要比我們預(yù)想的更加黑暗——這并不僅僅因?yàn)槟抢锸且粋€(gè)超大質(zhì)量黑洞的家。
在距離我們超過25,000光年之外有一個(gè)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，那里擠滿了橫沖直撞的恒星。在銀河系的最中央，天文學(xué)家懷疑潛伏著一個(gè)質(zhì)量超過太陽400萬倍的巨型黑洞。被稱為人馬座A*的這個(gè)超大質(zhì)量黑洞因其對時(shí)空結(jié)構(gòu)的扭曲正在撕裂恒星，引發(fā)一場恒星騷亂。
類似的超大質(zhì)量黑洞被認(rèn)為存在于每一個(gè)星系的中心。通過觀測恒星圍繞它的轉(zhuǎn)動(dòng)，直到最近我們才確認(rèn)了它的存在。它為我們在最極端環(huán)境下檢驗(yàn)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(fā)生過程的實(shí)驗(yàn)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(gè)“洞”——一個(gè)只包含一些年輕恒星而沒有年老恒星的神秘空白區(qū)。
之前對銀心的觀測發(fā)現(xiàn)了幾十顆年輕的恒星，它們所發(fā)出的明亮藍(lán)色輻射強(qiáng)得足以沖破籠罩它們的塵埃。天文學(xué)家認(rèn)為它們只是更多恒星的冰山一角，大量更年老恒星所發(fā)出的微弱光線被年輕恒星的所掩蓋了。
然而，當(dāng)三個(gè)天文學(xué)家小組獨(dú)立地把他們手中能夠穿透銀心周圍塵埃的紅外望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)那里的時(shí)候，這一切都改變了。當(dāng)他們掃視銀河系的時(shí)候，他們看到了數(shù)千顆年老的恒星。但是，當(dāng)他們觀測非?？拷y心的地方時(shí)，恒星的數(shù)量便出現(xiàn)了銳減，并且發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑3光年的區(qū)域，其中的恒星極為匱乏。
[圖片說明]：錢德拉X射線天文臺(tái)拍攝的銀心區(qū)域，人馬座A*就位于圖中央的白色光斑中。版權(quán)：NASA/CXC/UMass/D. Wang等人。
這個(gè)“洞”的故事
這是一個(gè)極大的意外，因?yàn)樗`背了我們對于在銀心處該發(fā)生什么的設(shè)想。人馬座A*周圍的引力場被認(rèn)為強(qiáng)到足以能束縛住它附近的恒星超過數(shù)十億年。那為什么在銀心處卻沒有較為年老的恒星呢？
最簡單而直接的解釋是，即使是最新的紅外望遠(yuǎn)鏡也還沒有靈敏到能檢測出這些微弱的光線。但還有一個(gè)更令人興奮的可能性，那就是銀心周圍其實(shí)被許多難以看到的致密天體所占據(jù)，例如超新星爆炸后留下的中子星和恒星質(zhì)量黑洞——它們幾乎不發(fā)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恒星都是能以超新星的形式結(jié)束自己生命的大質(zhì)量恒星。這將使該區(qū)域與我們所觀測到的所有其他地方都截然不同。
但是，這個(gè)解釋也存在問題。其中主要的一個(gè)是，這些大質(zhì)量恒星不會(huì)獨(dú)自形成、長大，少量小質(zhì)量恒星也應(yīng)該在那里形成。在這些小質(zhì)量恒星生命的盡頭，它們會(huì)演化成應(yīng)該很容易就能被看到的紅巨星。那么，為什么我們還沒有看到它們呢？一種可能是，恒星質(zhì)量黑洞吃掉了所有這些紅巨星。但這其實(shí)很難奏效，因?yàn)樗枰暮诙促|(zhì)量比銀心最內(nèi)部已知存在的100萬個(gè)太陽質(zhì)量還要高。
一個(gè)更奇特的解釋是，在過去的某個(gè)時(shí)間，銀河系與另一個(gè)星系發(fā)生了并合，外來的超大質(zhì)量黑洞吞噬了一些銀河系的恒星。此外人馬座A*本身也可以造成其周圍恒星的缺失。任何進(jìn)入超大質(zhì)量黑洞周圍約5光分（相當(dāng)于9,000萬千米）距離內(nèi)的恒星都會(huì)被撕裂，由此可能會(huì)導(dǎo)致恒星的消失。
[圖片說明]：對銀心附近恒星的觀測。實(shí)心圓圈為觀測到的恒星位置，虛線是由觀測結(jié)果推算出的軌道。可以看到迄今只有S2完成了繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)一周的運(yùn)動(dòng)。版權(quán)：Keck/UCLA Galactic Center Group。
盯上這個(gè)“洞”
用人馬座A*來解釋依然存在破綻，于是有人提出一個(gè)稍有不同的方案。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，圍繞人馬座A*的恒星軌道隨著時(shí)間會(huì)變得越來越長、越來越扁。最終，這些恒星會(huì)由于過于靠近中央黑洞而被吞噬。不過，這個(gè)理論也有問題。由于恒星在不斷形成，為了創(chuàng)建一個(gè)無星區(qū)，你不但要把恒星送入超大質(zhì)量黑洞的口中，還要阻止其他恒星進(jìn)入這一區(qū)域。但是，很難想出有什么辦法能阻擋恒星進(jìn)入銀心。
因此，盡管已經(jīng)有了很多的想法，但這個(gè)謎依舊。目前的天文觀測結(jié)果也不足以真正地確定這些解釋中哪一個(gè)最有可能，或者完全排除掉某一個(gè)?，F(xiàn)在只能假設(shè)，那里有個(gè)“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(gè)怪物。
幸運(yùn)的是，許多技術(shù)正在使天文學(xué)家能做到這一點(diǎn)。這些技術(shù)同時(shí)還可以幫助我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)更深刻的愿望——對愛因斯坦的廣義相對論進(jìn)行檢驗(yàn)。廣義相對論在行星、恒星和星系附近的影響已經(jīng)被探測過，每一次它都以優(yōu)異的成績通過了測試。至今廣義相對論還沒有被檢驗(yàn)過的地方就是黑洞的極端引力場，那里的空間和時(shí)間都遭到了極強(qiáng)的扭曲。通過觀測物質(zhì)究竟是如何落入黑洞的，天文學(xué)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(shù)是甚長基線干涉測量（VLBI），它綜合了世界各地射電望遠(yuǎn)鏡所接收到的信號(hào)來模擬出一個(gè)猶如地球一樣大的無線。這個(gè)虛擬天線可以分辨出天體的微小細(xì)節(jié)，但即便如此它還沒有強(qiáng)大到能識(shí)別出這個(gè)超大質(zhì)量黑洞最顯著的特征：它的視界。視界是下落的物質(zhì)一去不復(fù)返的地方，它直徑約1,500萬千米，相當(dāng)于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(jù)黑洞無毛定理，用質(zhì)量、自轉(zhuǎn)和電量即可描述一個(gè)黑洞的所有特性。不過在現(xiàn)實(shí)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(gè)量中就只剩下了質(zhì)量和自轉(zhuǎn)。版權(quán)：NASA。
不過，有一個(gè)辦法可以提高VLBI的分辨率，那就是觀測比現(xiàn)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(xiàng)技術(shù)應(yīng)該最終能夠看到視界附近正在發(fā)生的事情。
即便如此，事情也不會(huì)這么很容易。我們試圖觀測的射電波是由盤旋著掉入超大質(zhì)量黑洞的電離氣體所發(fā)射出的。為了在這個(gè)黑洞附近檢驗(yàn)廣義相對論，我們不得不首先要用計(jì)算機(jī)來模擬螺旋運(yùn)動(dòng)的氣體，預(yù)測它的射電輻射，并與觀測結(jié)果相比較。VLBI是一種很有前途的技術(shù)，但它不可能給我們提供一個(gè)干凈的信號(hào)。這是它惱人的地方。
其他天文學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了一條更干凈地探測人馬座A*的途徑：觀測圍繞它公轉(zhuǎn)的單顆恒星。他們已經(jīng)觀測了距離銀心100光天范圍內(nèi)20顆極為明亮的恒星的軌道。
在這其中有一顆恒星極為突出，它被稱為S2，質(zhì)量達(dá)太陽的20倍。S2是唯一一顆已經(jīng)被觀測到圍繞銀心公轉(zhuǎn)一周的恒星，完成這一旅程它花了15年的時(shí)間。由此，天文學(xué)家計(jì)算出銀河系中央超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽的430萬倍，略高于原先的估計(jì)。
請不要忘記，直至現(xiàn)在這仍是銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的唯一間接證據(jù)。由于它的引力影響著附近恒星的運(yùn)動(dòng)，因此我們知道那里有某個(gè)大質(zhì)量天體，而最有可能是一個(gè)黑洞。但我們同樣也需要直接的證據(jù)來確定?，F(xiàn)在的希望是，像S2這樣的恒星不僅將為此提供證據(jù)，而且還能讓我們來檢驗(yàn)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(rèn)為黑洞其實(shí)非常簡單，用它的質(zhì)量以及自轉(zhuǎn)的速度就足以對其進(jìn)行充分地描述。有理論物理學(xué)家建議，通過研究銀心超大質(zhì)量黑洞附近恒星的軌道，就可以來檢驗(yàn)這個(gè)定理，進(jìn)而驗(yàn)證廣義相對論。一個(gè)方法是觀測一顆恒星圍繞銀心公轉(zhuǎn)許多圈。愛因斯坦的理論預(yù)言，這顆恒星軌道中最靠近銀心的那一點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間逐漸變化。如果無毛定理正確，那么這個(gè)“進(jìn)動(dòng)”的速率就只取決于黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度，而和其他的無關(guān)。如果能追蹤兩顆恒星的軌道那就更妙了。這樣就你可以使用這兩顆恒星的軌道關(guān)系來消掉黑洞的質(zhì)量，由此進(jìn)動(dòng)將只依賴于黑洞的自轉(zhuǎn)。如果事實(shí)證明進(jìn)動(dòng)其實(shí)依賴更復(fù)雜的東西，那么無毛定理就將被證明是錯(cuò)誤的。如果真是這樣的話，那么廣義相對論也將同樣被證明是錯(cuò)誤的。因此，其科學(xué)回報(bào)是很高的。
[圖片說明]：歐洲南方天文臺(tái)4架甚大望遠(yuǎn)鏡組成的干涉儀將綜合來自4架望遠(yuǎn)鏡的光線，追蹤物質(zhì)掉入黑洞前的最后一刻。版權(quán)：G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO。
另一種檢驗(yàn)相對論的方法是使用脈沖星。這些超新星爆炸遺留下的超高密度天體會(huì)以極高的速度自轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈其猶如燈塔一般的射電波束就會(huì)掃過天空。這使得它們成為了極其精準(zhǔn)的守時(shí)工具。如果在銀心處存在脈沖星，那么我們也許能夠檢驗(yàn)另一個(gè)相對論效應(yīng)——引力時(shí)間膨脹，即在大質(zhì)量天體周圍的彎曲時(shí)空中時(shí)間流逝得較慢。探測到這個(gè)效應(yīng)，我們就有了存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)。
新的目標(biāo)
不幸的是，脈沖星本身極為暗弱，這使它們難以在多塵的銀心處被發(fā)現(xiàn)。但天文學(xué)家正開始嘗試探測銀河系中所有的脈沖星，很有希望會(huì)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(nèi)的恒星。要真正探測這個(gè)超大質(zhì)量黑洞周圍的時(shí)空，我們還需要觀測更多靠近銀心的恒星。
為此天文學(xué)家目前正在升級(jí)由夏威夷兩架10米凱克望遠(yuǎn)鏡所組成的紅外干涉儀。與此同時(shí)，他們還正在建造一臺(tái)儀器，它能夠綜合來自歐洲南方天文臺(tái)四架甚大望遠(yuǎn)鏡所收集的近紅外輻射，進(jìn)而以前所未有的分辨率測量這些暗弱的天體。他們希望由此能觀測到位于幾倍于超大質(zhì)量黑洞視界直徑范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的恒星。這臺(tái)儀器預(yù)計(jì)會(huì)在2013年投入使用。
數(shù)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(gè)超大質(zhì)量的黑洞。 
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