黑洞史话09

上篇文章我们说到，天鹅座 X-1 被正式确认为是一个恒星死亡后留下的黑洞，这是一个载入天文学史册的重大发现。天文学家们的目光不约而同地投向了我们银河系的中心，因为，那里很可能也隐藏着一个质量远远超过天鹅座 X-1 的黑洞。今天这篇文章，我要给你讲述银河系中心黑洞的故事。

古怪“木马”捕获天外之音

关于银河系中心黑洞的故事，我们要从1931年，美国新泽西州的贝尔电话实验室开始讲起。

这一年，年轻的卡尔·央斯基（Karl Jansky）感到有些沮丧。这位无线电工程师，被老板指派了一个非常枯燥乏味的任务，就是找出那些干扰跨大西洋无线电通话的神秘静电噪声的来源。在那个年代，无线电通话还是一项昂贵而尖端的技术，任何一点“嘶嘶”的杂音，都可能让一笔重要的越洋生意泡汤。

卡尔·央斯基（Karl Jansky）

为了完成这个任务，央斯基建造了一个堪称怪异的庞然大物。他用铜管和木材，搭建了一个直径约 30 米的巨大天线阵。整个装置被安装在四个福特T型车的轮子上，可以沿着一个圆形的轨道缓慢旋转，像一架笨拙的、正在追逐自己尾巴的巨型蜻蜓。央斯基给它起了个绰号，叫“旋转木马”。

卡尔·央斯基建造的旋转天线

就这样，日复一日，月复一月，央斯基耐心地驾驶着他的“旋转木马”，像一位无线电世界的“气象员”，仔细地记录着来自天空各个方向的噪声信号，以此来寻找规律。他很快就识别出了两种主要的噪声源：一种来自近处的雷暴，另一种来自远处的雷暴。这两种噪声都很好理解，符合预期。

但问题是，还有第三种噪声，让央斯基无比郁闷。

关键的 4 分钟：噪声背后的天文密码

这种噪声非常微弱，像一阵持续不断的、温柔的嘶嘶声。它既不像雷暴那样狂躁，也没有明确的来源方向。起初，央斯基以为这只是接收器自身的故障。但经过反复检查，他发现这种噪声似乎真的来自天上。

更奇怪的是，这种噪声的强度，每天都会有规律地达到一个峰值，然后又慢慢减弱。一开始，央斯基以为这和太阳有关，也许是太阳活动产生的某种未知干扰。但随着他记录的时间越来越长，一个让他倍感惊讶的现象出现了：那个噪声峰值出现的时间，每天都会比前一天提前大约 4 分钟。

4分钟，这个数字，对于一个普通人来说，可能毫不起眼。但对于任何一个对天文学稍有了解的人来说，这个数字都像一声惊雷。

我来解释一下。我们人人都知道，一天是 24 小时。如果我问你，为什么一天是 24 小时，我估计你想也不想就会脱口而出：因为地球自转一圈需要 24 小时啊。嘿嘿，其实，这是错的，地球自转一圈的真正用时是约 23 小时 56 分钟。

你可能会大吃一惊，啊，怎么比 24 小时少了 4 分钟，那为啥一天是 24 小时呢？

对于古人来说，按照太阳的东升西落来定义一天的时间是最自然最朴素的做法。但太阳东升西落一个周期就等于地球自转一圈的周期吗？你仔细想想，是不是？

答案是：不是。这是因为，我们的地球，在自转的同时，还在绕着太阳公转。现在我需要你脑子中建立一个地球和太阳的模型，想象一下地球自转的同时绕着太阳公转。在地球上的某一点，每次看到太阳升起的间隔时间并不是刚好地球自转一整圈的时间，而是要晚 4 分钟，因为相对于太阳来说，地球每转一圈，相对于太阳的位置都会发生变化。

所以，我们日常使用的、以太阳为参照物的时间，叫做“太阳日”，太阳日的一天是 24 小时。而以遥远的、几乎静止的恒星为参照物的时间，叫做“恒星日”。一个恒星日，则是 23 小时 56 分钟。恒星日才是真正地球自转一圈需要的时间。

央斯基的噪声源，每天提前 4 分钟出现，这就意味着，它的源头，不是太阳，也不是太阳系里的任何东西。它来自一个极其遥远的、在星空中位置几乎固定的地方。

经过几个月的持续观测和计算，央斯基最终将这个神秘的射电源，锁定在了人马座的方向。而那里，正是我们银河系的中心所在。

穿越星际迷雾：捕捉黑洞的踪迹

1933 年，卡尔·央斯基发表了他的发现。他谦虚地推测，这种无线电波，可能来自于银河系中心区域的恒星，或者是恒星之间的炽热气体。但他并不知道，他那架由福特车轮和木头搭成的简陋天线，无意中捕捉到的，是来自银河系“心脏”的心跳声。也是央斯基开启了一扇全新的、观察宇宙的窗户——射电天文学，他是人类历史上第一个正式的射电天文学家。

然而，在那个光学天文学家们还在为仙女座星系到地球的距离而争论不休的年代，央斯基的发现并没有引起太大的波澜。人们只是觉得这很有趣，但并没有意识到，那阵微弱的“嘶嘶”声背后，隐藏着一个足以吞噬一切的宇宙巨兽。

要理解为什么寻找银河系中心的黑洞如此困难，我们得先了解一下我们自己在银河系中的位置。

我们的太阳系，位于银河系一条被称为“猎户臂”的旋臂的内侧边缘，距离银河系中心大约 2.6 万光年。这个位置，打个比方，就像是我们住在一个巨大城市的郊区。而我们想要看清的，是远在 2.6 万光年之外的、市中心最核心地带发生的事情。这本身就已经非常困难了。但更糟糕的是，从我们所在的郊区，到那个遥远的市中心之间，并非一览无余。而像是充满了浓密的“雾霾”，就是由气体和尘埃组成的、厚厚的星际介质。

银河系示意图，图源：NASA

这些星际介质，对于可见光来说，是一道几乎无法逾越的屏障。它们会吸收和散射可见光，使得银河系中心在我们看来，是一片黑暗。我们用最强大的光学望远镜，也无法直接看穿这层厚厚的“宇宙雾霾”，看到银河系中心的真实面貌。这就好比，在一个大雾天，我站在家里的阳台上，无论我的望远镜多好，也看不清陆家嘴的东方明珠塔。

但是，并非所有的“光”都害怕这层雾霾。波长比可见光更长的无线电波和红外线，就有更强的穿透能力，可以相对轻松地穿过这些星际介质，把银河系中心的信息传递给我们。

所以，对银河系中心黑洞的探索，从一开始，就是一场属于“特殊光线”的侦探故事。而卡尔·央斯基，就是那个无意中听到第一声“线索”的侦探。

科学对决：二十年的追踪与证明

央斯基的发现，虽然在当时没有引起轰动，但它为后来的天文学家们指明了方向。二战后，随着雷达技术的发展，射电天文学迎来了爆发式的增长。天文学家们建造了越来越大、越来越灵敏的射电望远镜，开始对那个来自人马座方向的神秘信号，进行更深入的探索。

1974 年，美国国家射电天文台的布鲁斯·巴利克（Bruce Balick）和罗伯特·布朗（Robert Brown），利用更先进的干涉仪技术，极大地提高了射电望远镜的分辨率。他们终于将那个神秘的射电源，锁定在了一个极其微小的天区内。

布鲁斯·巴利克（Bruce Balick）和罗伯特·布朗（Robert Brown）

他们发现，这个射电源的核心，异常明亮且致密。他们给这个射电源起了一个编号，叫做“人马座 A*”，就是你在键盘上用 shift+8 敲出来的那个星号（*）。你可能会奇怪，为啥要加上这么一个字符。这是因为，在物理学中，星号代表“激发态”的意思。科学家们这么命名就是暗示了这个天体的极端与不凡。

图源：Event Horizon Telescope，EHT

但是，要证明它是一个黑洞，现有的证据还远远不够，因为一个明亮的射电源，并不能直接证明它就是一个黑洞。它也可能是一个年轻的超新星遗迹，或者一个恒星形成区，再或者其他什么奇特的天体。

要证明银河系的中心趴着一只宇宙怪兽，还需要特别扎实的证据。什么才是黑洞最好的证据？答案是：超级巨大的质量。所以，科学家们需要找到方法测量出银心这个怪异天体的质量。

科学的通用方法是观察、思考、假设、验证。经过几十年的细心观察，科学家们开始怀疑银心有一个超级巨大的黑洞。接下来，科学家们要做的是提出可以被证实的猜想，然后去验证这个猜想。

这个猜想是这样的，如果人马座 A* 真的是一个质量巨大的黑洞，那么在它的周围，必然会有一些恒星，像行星围绕太阳一样，在围绕着它高速旋转。只要我们能够精确地追踪这些恒星的运动轨迹，我们就能利用天体物理学，把这个看不见的“宇宙大胃王”的质量，给计算出来！

这个想法，说起来简单，但做起来，却面临着两个几乎不可能完成的挑战。

第一个挑战，是观测波段。

正如我们前面所说，银河系中心充满了浓厚的星际尘埃，可见光根本无法穿透。而那些围绕在中心黑洞周围的恒星，它们发出的光，同样是可见光。所以，我们必须借助能够穿透尘埃的红外线来进行观测。

在 20 世纪 80 年代，红外探测技术还处于起步阶段，灵敏度和分辨率都非常低。天文学家们虽然能在红外波段模模糊糊地看到银河系中心挤满了无数的恒星，但想要从中分辨出单独的一颗，并且年复一年地精确追踪它的位置变化，这简直比登天还难。

第二个挑战，是地球大气的干扰。

地球的大气层，虽然保护了我们，但对于天文观测来说，却是一个巨大的麻烦。大气的湍流，会让来自遥远星辰的光线发生抖动和模糊，这就是我们晚上看星星时，感觉星星在“眨眼睛”的原因。

这种抖动，对于观测广阔的天区影响不大，但对于我们想要精确测量银河系中心那几颗恒星的微小位移来说，却是致命的。它就像是你在用一架手持的、不断晃动的相机，去拍摄远处一只蚂蚁的爬行轨迹一样，你得到的，只会是一片模糊的影像。

面对这两个巨大的挑战，全世界的天文学家们并没有放弃。他们兵分两路，开启了一场长达数十年的、史诗般的观测竞赛。

一路，是在美国，由加州大学洛杉矶分校的女天文学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）领导的团队。她们使用的是夏威夷莫纳克亚山顶上、当时全世界最大的光学/红外望远镜——凯克望远镜。

凯克望远镜。图源：UCLA Galactic Center Group， 链接：http://www.lauriehatch.com

另一路，是在德国，由马克斯·普朗克地外物理研究所的莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）领导的团队。他们使用的是位于智利阿卡塔沙漠的欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）。

甚大望远镜（VLT），图源：ESO

这两支团队，如同两位棋逢对手的绝顶高手，在接下来的二十多年里，展开了一场激动人心的“巅峰对决”。

为了解决大气湍流的干扰问题，他们都发展了一项革命性的技术，叫做“自适应光学”。

这项技术的原理，说起来非常巧妙。它首先用一束激光，在望远镜的上空，人为地制造出一颗“假星星”。然后，一个高速的计算机系统会实时地监测这颗“假星星”因为大气湍流而产生的抖动和变形。接着，计算机会根据这些变形数据，以每秒数千次的频率，去精确地调整望远镜主镜后面的一块可以变形的薄镜片，让它产生一个与大气湍流效应正好相反的形变。

凯克望远镜正在创造一颗人造激光导星 (LSG) 图源：UCLA Galactic Center Group， http://www.ethantweedie.com

这样一来，一正一负，大气湍流对星光的影响，就被实时地“抵消”掉了。望远镜看到的星空，瞬间从一片“波光粼粼的湖面”，变成了一面“平静如水的镜子”。恒星不再“眨眼”，它们变成了一个个清晰、锐利的光点。

左：无自适应光学，右：有自适应光学。图源：UCLA Galactic Center Group

正是凭借着“自适应光学”这项“黑科技”，这两支团队，才终于获得了那把能够精确测量恒星位置的“游标卡尺”。

看见看不见的巨兽

从上世纪 90 年代中期开始，他们就像最有耐心的猎人，年复一年，日复一日地将望远镜对准银河系的中心，仔细地记录着那里每一颗恒星的微小移动。

起初，进展是缓慢的。那些恒星的移动，在底片上看起来，只是一个个几乎难以察觉的像素点的变化。但随着时间的推移，当他们把十几年的数据点连接在一起时，一幅令人叹为观止的宇宙画卷，开始慢慢地展现在他们面前。

他们发现，在人马座 A* 的周围，有几十颗恒星，正在以一种近乎疯狂的速度，围绕着一个看不见的中心点高速旋转。

银河系中心 1.0 X 1.0 角秒范围内恒星的轨道，图源：UCLA Galactic Center Group

其中，有一颗被命名为“S2”的恒星，表现得最为极端。它的轨道是一个高度椭圆的轨道，就像一颗被压扁了的鸡蛋。它围绕中心点的公转周期，只有短短的 16 年！在它距离中心点最近的时候（近心点），它的速度，达到了惊人的每秒 7650 公里，大约是光速的 2.5%！

这是一个什么概念？假如我们的地球围绕太阳公转的速度和 S2 一样，那么，地球的一年将缩短为一天半。

当盖兹和根泽尔的团队，将 S2 恒星这十几年的运动轨迹完整地描绘出来时，一个完美的、遵循开普勒定律的椭圆轨道，清晰地呈现在了所有人的面前。

S2 通过距离银河系中心黑洞最近点前后的想像图，图源：ESO/M. Kornmesser

现在，所有的条件都已具备。他们知道了 S2 的完整轨道形状，知道了它的公转周期（16 年），知道了它在轨道上各点的速度。利用牛顿和开普勒留下的古老而强大的物理定律，他们终于可以计算出那个位于轨道中心，也就是银河系中心天体的质量。

当最终的计算结果出来时，这个数字，让整个物理学界都为之震动。

那个隐藏在银河系中心、驱动着所有恒星疯狂舞蹈的神秘天体，它的质量，大约是 400 万倍太阳质量！

400 万个太阳的质量，被塞进了一个比我们地球绕着太阳公转轨道还要小得多的空间里，却不发出任何可见光和红外光。它是什么呢？

它不是一颗正常的恒星，也不是一个星团，因为它完全是黑暗的。

它不可能是由白矮星或中子星组成的，因为没有任何已知的物理机制，能让 400 万个太阳质量的中子星，在那么小的空间里稳定地存在，而不坍缩。

所有的可能性都被排除了。

答案，再次指向了那个唯一的、也最令人敬畏的结论：在我们的家园——银河系的中心，就潜伏着一个超大质量黑洞。

2022年5月12日公布的银河系中心黑洞人马座A*的照片

为了表彰他们这项长达二十多年的、史诗般的观测工作，安德烈娅·盖兹和莱因哈德·根泽尔，与罗杰·彭罗斯一同，分享了 2020 年的诺贝尔物理学奖。

在加州大学洛杉矶分校的一间办公室里，安德烈娅·盖兹正对着电脑屏幕上的一张最新图像发呆。那是她的团队利用凯克望远镜的自适应光学系统，拍摄到的有史以来最清晰的银河系中心红外图像。

图像的中心，就是那个被命名为人马座 A* 的引力深渊。而在它的周围，那颗名为 S2 的恒星，像一只勇敢的飞蛾，正再一次扑向那团看不见的“火焰”。它正在接近它轨道的近心点。

“安德烈娅，你在看什么？”她的一位博士后走了进来。

“我在想一个问题，”盖兹没有回头，她的目光依然锁定在屏幕上，“我们已经证明了广义相对论在 S2 轨道的大部分区域都是正确的。但是，当 S2 到达那个最危险的、离黑洞最近的点时，会发生什么？那里的时空，会被弯曲到一种什么样的、不可思议的程度？”

她顿了顿，仿佛在想象那个凡人无法触及的场景。

“我们看到的星光，在经过那里时，会不会像穿过一个哈哈镜一样，被拉伸、被扭曲？我们看到的 S2，还是它‘真实’的样子吗？或者说，在那样极端的引力场中，‘真实’这个词，又到底意味着什么？”

这个问题，像一颗投入平静湖面的石子，激起了一圈圈涟漪。天文学家们意识到，他们的射电望远镜，不仅能测量黑洞的质量，或许还能让他们第一次，“看”到那个由爱因斯坦预言的、被引力极致扭曲的时空本身。一场关于“宇宙哈哈镜”和“时空华尔兹”的全新探索，即将拉开序幕。

科学有故事，我们下期接着聊。