編譯 喬琦

與其他星座一樣，人馬座這片黑暗天區(qū)中同樣散布著點點繁星，只是它們普遍沒有那么亮，顯得灰蒙蒙的。在那里，一顆名為S2（有時也稱S-02）的小恒星正在永恒的邊緣巡航。每16年，S2就會穿越一個神秘黑暗天體的勢力范圍，后者大概有400萬個太陽那么重，正正好好占據(jù)著銀河系的中心位置。

歐洲南方天文臺（歐南臺）的甚大望遠鏡

在過去的20年里，有兩個天文學家團隊都想要驗證阿爾伯特·愛因斯坦對宇宙做出的最奇怪預測（廣義相對論），他們互為競爭對手，不約而同地把望遠鏡對準了遠在26 000光年以外的這顆恒星，S2。天文學家強烈懷疑，在S2的不遠處坐落著一個碩大無比的黑洞，它是恒星的吞噬者，也是整個銀河系的奠基者。這兩個團隊都希望能在觀測過程中確認這個超大質(zhì)量黑洞的存在。

在之前的幾個月里，S2一直在惴惴不安地奔向它距銀河系中心最近的位置。這一過程讓我們重新認識了極端環(huán)境下的引力行為，也為我們研究銀河系大本營中的這個不可見怪獸的性質(zhì)提供了線索。

兩個研究團隊之一是一個以德國及智利科學家為主體的國際合作小組，由來自馬克斯·普朗克地外物理研究所的萊茵哈德·根策爾（Reinhard Genzel）領(lǐng)銜。他表示，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了迄今為止能夠證明這個黑暗實體就是一個超大質(zhì)量黑洞的最有力證據(jù)，而且這個無底洞的質(zhì)量是414萬個太陽質(zhì)量。

證據(jù)來自那些環(huán)繞著銀河系中心運動的氣體云。根策爾博士的團隊發(fā)現(xiàn)，這些氣體云大概每45分鐘就能繞銀河系中心走一圈，也就是以光速的30%運動1.5億英里。它們實在是離這個疑似黑洞的天體太近了，根據(jù)愛因斯坦的物理學理論，如果它們再往里一點，就會一頭扎進去。

除了黑洞之外，天體物理學家想不到還有什么天體能夠有這么大的質(zhì)量卻僅占據(jù)一個如此有限的軌道。

這個結(jié)果“有力證明”了位于人馬座的這個看不見的天體“確實就是一個超大質(zhì)量黑洞”，根策爾博士的團隊在一篇署名為“引力研究合作小組”（也就是他們自己這個團隊）的論文中如是寫道。該論文于10月31日發(fā)表在歐洲天文學期刊《天文與天體物理》（Astronomy & Astrophysics，簡稱A&A）上。

“這是迄今為止，我們用直接空間解析技術(shù)觀測到的最接近超大質(zhì)量黑洞的區(qū)域。”根策爾博士在電子郵件中說。

這項工作的成果確實有助于我們證明天文學家長期以來的猜測，但離嚴格證明下面這個猜想還差得很遠：不僅銀河系中心潛藏著一個超大質(zhì)量黑洞，許多可觀測星系的中心都是如此。因此，星系內(nèi)的所有天體環(huán)繞著星系中心運動，但時間和空間在這里終結(jié)，任何墜入星系中心的恒星都會永遠消失。

萊茵哈德·根策爾是位于慕尼黑的馬克斯·普朗克地外物理研究所的負責人。他一直在觀測人馬座的恒星S2，希望能夠借助這個天體認證銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的存在

從這項工作中獲取的新數(shù)據(jù)同樣有助于解釋，像這樣的黑洞為何能夠造成如此之大的破壞——大到整個宇宙都能見到。從很早之前開始，天文學家就一直能觀測到奇異的類星體和綿延數(shù)千光年的劇烈能量流從銀河系中心噴涌而出。

斯坦福大學卡夫里粒子天體物理和宇宙學研究所主任羅杰·布蘭德福德（Roger Blandford）說，現(xiàn)在我們有了不可撼動的強力證據(jù)，證明超大質(zhì)量黑洞就是這種現(xiàn)象出現(xiàn)的源頭。

“現(xiàn)在要想推翻這個觀點，你就必須提出大量反面證據(jù)，”他在電子郵件中寫道，“關(guān)鍵是要弄清楚這些現(xiàn)象的產(chǎn)生機制，比如吸積盤、噴流等。這就有點像是在知道太陽是個高溫氣態(tài)星球之后，努力探究熱核反應的原理。”

哈佛-史密松天體物理研究中心的射電天文學家謝潑德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）稱這項工作為“曠世杰作”。杜勒曼博士致力于銀河系中心的研究，并且希望有朝一日能夠借助“視界望遠鏡”這種行星級尺寸的工具繪制黑洞的真實圖像。

這項研究同樣也是歐洲南方天文臺的一大勝利。這個總部位于慕尼黑、天文臺建于智利的多國合作機構(gòu)已經(jīng)將針對S2和銀河系中心黑洞的研究設為重大研究課題。該機構(gòu)的觀測儀器包括：甚大望遠鏡（Very Large Telescope，簡稱VLT），是一組由設置在智利阿塔卡馬沙漠（在007系列電影《大破量子危機》中有出鏡）中的4架子望遠鏡組成的望遠鏡陣列；以及VLT所在地附近一座山頭上的極大望遠鏡（Extremely Large Telescope，簡稱ELT），ELT目前尚在建造之中，建成后將是世界上最大的光學望遠鏡。

愛因斯坦的噩夢

馬克斯·普朗克研究所的一面墻上張貼著各類星系的照片，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——一種密度大到連光都無法逃逸的天體——是愛因斯坦廣義相對論的一個驚人產(chǎn)物。廣義相對論認為，我們稱之為“引力”的這種現(xiàn)象，實際上是時空幾何的一種扭曲。根據(jù)這個理論，當某個地方集中了太多物質(zhì)或能量后，時空就會產(chǎn)生變化：時間會變慢，物質(zhì)會收縮并且消失在那些宇宙天坑（也就是黑洞）里。

愛因斯坦本人并不喜歡黑洞這個概念，但現(xiàn)在科學界的主流觀點是，宇宙里到處散布著黑洞。其中有許多都是死亡恒星的殘骸，還有一些則奇重無比，能夠達到幾百萬甚至幾十億個太陽質(zhì)量。幾乎每個星系的中心（當然也包括我們的銀河系）都好像駐扎著這樣的超大質(zhì)量天體。它們很可能就是黑洞，但現(xiàn)在天文學家急于弄明白的是，這些天體的性質(zhì)是否符合愛因斯坦理論的預測。

盡管自愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論開始，人們就一直視這個理論為普適的宇宙定律，但大多數(shù)理論學家認為，要想解釋各種神秘現(xiàn)象，廣義相對論最終還是需要修改的。這些神秘現(xiàn)象包括：黑洞中心究竟發(fā)生了什么，或者說時間誕生之初究竟發(fā)生了什么？為什么星系會在那些性質(zhì)不明的物質(zhì)（暗物質(zhì)）的作用下聚合在一起？與此同時，那股稱為“暗能量”的神秘力量又是如何將這些緊密結(jié)合的星系團分開的？

兩年前，科學家確認了較小質(zhì)量黑洞的存在。當時，激光干涉引力波天文臺（LIGO）觀測到了10億光年之外兩個黑洞碰撞產(chǎn)生的時空漣漪，引力波。不過，這兩個黑洞分別只有20個太陽質(zhì)量和30個太陽質(zhì)量那么重。對天文學家來說，超大質(zhì)量黑洞的性質(zhì)仍舊是一個非常令人好奇的課題。

“我們已經(jīng)知道，愛因斯坦的引力理論在處理極端問題時還存在一些爭議，”加州大學洛杉磯分校教授安德莉亞·吉茲（Andrea Ghez）說，“要想尋找理論與現(xiàn)實之間的差異，還有什么地方能好過超大質(zhì)量黑洞？”與根策爾博士一樣，吉茲博士也領(lǐng)導著一支正在探索銀河系中心的獨立科研團隊?！拔抑韵矚g研究銀河系中心，是因為我們可以在那兒觀測到天體物理學在極端條件下的狀況?！彼f。

盡管名為黑洞，超大質(zhì)量黑洞其實是宇宙中最為明亮的天體之一。物質(zhì)掉入其中時會釋放出海量能量。這些能量足以制造出類星體。從20世紀60年代初開始，類星體這種遙遠的微弱射電信標就一直令地球上的天文學家困惑不已。

加州大學洛杉磯分校的天體物理學家、教授安德莉亞·吉茲。她是另一個科研團隊的負責人，該團隊同樣也在觀測S2以期獲得能夠證明銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)

天文學家早就開始懷疑，銀河系中心可能也在發(fā)生類似的事兒，一大標志就是那個區(qū)域里有一個名為人馬座A*的明亮射電源。然而，銀河系中心為塵埃所籠罩，這就導致我們無法通過傳統(tǒng)的天文學觀測手段看到這個天體。

望向黑暗深處

萊茵哈德·根策爾成長于德國黑森林里的小城市弗萊堡。年輕的時候，他是德國最好的標槍運動員之一，甚至能與國家隊一起備戰(zhàn)1972年慕尼黑奧運會?，F(xiàn)在，他的“標槍”擲向了更遠的地方。

20世紀80年代，根策爾拜入激光發(fā)明者之一、諾貝爾獎得主、物理學家查爾斯·湯斯（Charles Townes）的門下，進入加州大學伯克利分校作博士后研究。他曾在最近的一次電話訪談中表示：“湯斯對我很好，我覺得自己就像是他的小兒子一樣?！闭菑哪菚r起，根策爾對銀河系中心的這個黑暗天體產(chǎn)生了興趣。

在20世紀80年代初的一系列具有開創(chuàng)意義的觀測中，借助能夠“看透”銀河系塵埃的紅外輻射（或者說熱輻射）探測器，湯斯博士、根策爾博士以及他們的同事發(fā)現(xiàn)，繞著銀河系中心運動的氣體云的速度實在是太快了，只有重達大約400萬個太陽質(zhì)量的天體所產(chǎn)生的引力才能讓它們留在現(xiàn)有軌道上。然而，無論真正在那兒的天體究竟是什么，它都沒有發(fā)出任何星光。即便是地球上最好的望遠鏡，從26 000光年遠處觀測銀河系中心，所看到的也只不過是一團模糊。

無論我們的銀河系中心究竟發(fā)生了什么，此后的兩項進展都為我們更直觀、更形象地研究這個問題做出了貢獻。其一是在20世紀90年代，科學家也能更多地使用原本出于軍事目的而制造的紅外探測器了。其二則是光學技術(shù)的發(fā)展顯著提高了望遠鏡的性能。通過大氣湍流補償技術(shù)，望遠鏡能夠看到許多之前無法看到的小細節(jié)。（正是這些大氣湍流導致我們看到的恒星變得模糊、并且不?！罢Ｑ邸?。）

借助這些靈敏的“眼睛”，天文學家在朦朦朧朧的銀河系中心發(fā)現(xiàn)了成百上千顆恒星，它們都沿著一個直徑大約0.1光年的近圓形軌道作快速周期運動。其中之一就是根策爾博士稱為“S2”，而吉茲博士稱為“S-02”的這顆恒星。這是一顆年輕的藍色恒星，沿著一根非常扁長的軌道運行，并且每16年就會穿越離疑似黑洞之“嘴”僅有110億英里的地方。

最令人擔心的是，根據(jù)愛因斯坦的理論，這顆以每秒5000英里的速度沿著雞蛋形軌道疾馳的恒星，應該經(jīng)歷了宇宙中的所有奇異之處。這顆恒星表面遭受的強烈引力會減緩光波的振動，將其拉長。于是，從地球上看來，它會變得比正常狀態(tài)更紅一些。

這種稱為“引力紅移”的現(xiàn)象，正是根據(jù)愛因斯坦理論做出的第一批預言之一。S2的發(fā)現(xiàn)使得天文學家有機會在自然條件（引力無比巨大的黑洞附近）下觀測這種現(xiàn)象。

兩個團隊，揚帆起航

要想開展這個實驗，天文學家需要知道這顆恒星的精確軌道，這就要求他們用地球上最強大的望遠鏡一連對其觀測上20年?！?0年的觀測數(shù)據(jù)，只為得到這張討論桌旁的一個座位?！?995年加入此項研究的吉茲博士如是說。

一張銀河系中心的照片，人馬座A＊就在其中。這張照片由歐南臺帕瑞納天文臺的VISTA望遠鏡拍攝。該天文臺就坐落于緊挨著VLT的一座山峰上

于是，這項深空探測競賽就有了來自兩個不同大陸的研究小組的加入。吉茲博士的工作設備是坐落于莫納克亞火山（該火山位于夏威夷最大的島嶼上）的10米凱克望遠鏡。根策爾博士的團隊則受益于歐南臺在智利建造的全新VLT望遠鏡。

位于智利的帕瑞納天文臺

歐洲團隊還有一件新裝備，那就是一架名為“引力”（Gravity）的干涉儀，它能將來自VLT4個望遠鏡成員的光組合起來，這進一步幫助了根策爾博士團隊?！耙Α备缮鎯x由馬克斯·普朗克研究所弗蘭克·艾森豪爾（Frank Eisenhauer）領(lǐng)銜的一支龐大團隊設計研發(fā)，它的出現(xiàn)使得這個由4個小望遠鏡組成的觀測陣列的精度可以和一架直徑130米的單鏡相媲美。艾森豪爾博士在一封電子郵件中說道，這架干涉儀的名字其實是一個很長的詞組的首字母縮寫。該詞組包含像“廣義”（general）、“相對論”（relativity）、“干涉”（interferometry）這樣的詞匯。

“突然，我們的觀測能力比之前提高了1000倍，”當這個設備于2016年投入使用時，根策爾博士如是說。另外，他們還可以使用VLT日復一日地追蹤恒星S2的運動。

與此同時，吉茲博士正通過分析S2的可變光譜，計算這顆恒星的速度變化。這兩個團隊競爭激烈、交替領(lǐng)先，雙方都在尋找更大、更強的望遠鏡，都在孜孜不倦地探尋S2的真實性質(zhì)。2012年，在S2最接近黑洞的這6個月里，根策爾博士和吉茲博士分享了當年的克勞福德天文學獎?？藙诟５陋勈菐缀跖c諾貝爾獎齊名的重大科學獎項，每年1月公布獲獎者，4月頒獎。

“4月中旬，出現(xiàn)了一個來自S2的信號，然后我們就開始源源不斷地收到信息，真是太令人激動了。”吉茲博士說。

7月26日，根策爾博士和艾森豪爾博士在慕尼黑召開新聞發(fā)布會，宣布他們觀測到了夢寐以求的引力紅移現(xiàn)象。當艾森豪爾博士展示出觀測結(jié)果（符合預期中的觀測曲線）的時候，臺下掌聲雷鳴、經(jīng)久不息。

艾森豪爾博士宣告：“通往黑洞物理學的路已經(jīng)徹底敞開了?！?/p>

在一個月后的一封電子郵件中，根策爾博士解釋說，探測到引力紅移現(xiàn)象只是萬里長征的第一步：“我一直是個很清醒的人，有時甚至有些悲觀，但你應該能從我寫下的只言片語里察覺到，我因這些美妙的觀測結(jié)果而興奮無比。作為一個66歲的科學家，我得說，這樣的重大發(fā)現(xiàn)可遇而不可求。那還不得及時行樂！”

10月初，吉茲博士表示，她的團隊不久后也將發(fā)表成果。他們此前一直在等待S2進入下一個軌道運行階段，然后再觀測一次。

藏匿在銀河系中心的怪獸

此時，根策爾博士還在繼續(xù)收獲他所謂的“大自然的贈禮”。

重大突破出現(xiàn)了：他的團隊在一個極小的模糊熱團塊中探測到了熱斑（或者說“耀斑”）存在的證據(jù)，這直接標明了那個疑似黑洞天體的位置。一個重達400萬個太陽質(zhì)量的黑洞應該有一張“嘴”（或者說“視界”），其直徑大約是1 600萬英里 ——實在是太小了，小到地球上的“引力”干涉儀都無法將其分辨出來。

這些熱斑同樣小到無法辨識，但它們會影響到熱團塊，使其一側(cè)的熱量多于另一側(cè)。結(jié)果就是，根策爾博士的團隊發(fā)現(xiàn)，當熱斑繞著S2轉(zhuǎn)的時候，相對于S2所在的位置，那個熱團塊的中心會出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移（或者說能量波動）的現(xiàn)象。

根策爾博士表示，最后結(jié)果就是“我們在天空中看到了一個小的磁回路”。后來他又補充道：“這是我們第一次用物理實驗室里的那種空間解析方式，研究這些重要磁結(jié)構(gòu)?！?/p>

據(jù)他推斷，這些熱斑可能是由磁場中的激波產(chǎn)生的，就和太陽表面噴出的太陽耀斑一樣。不過，根策爾團隊也在論文中謹慎地表示，這個模型可能過于簡單了。根策爾博士說，相對論效應將黑洞的鄰居變成了無數(shù)面鏡子，通過它們，我們可以一窺黑洞的面貌，“目前，我們的陳述還太模糊，沒有太多證據(jù)。我們必須繼續(xù)深入研究，這樣才能更好地理解這些‘鏡中現(xiàn)象’，還原出事情的真相?！?/p>

目前，S2已經(jīng)完成了2018年的“走秀”，開始遠離黑洞。根策爾博士希望，明年，當這顆恒星在離黑洞更遠的軌道上運動時，他們能夠獲取更多數(shù)據(jù)。通過來年進一步的觀測，我們也許能夠徹底究明S2的運動軌道，或許還能解答其他問題，比如黑洞是否真的拽著時空一起旋轉(zhuǎn)，就像攪面團一樣？

不過，根策爾博士也在電子郵件中表示，要想做出比現(xiàn)有成就更高的發(fā)現(xiàn)，恐怕是頗為困難了。目前，對我們這個“從銀河系鄉(xiāng)下來的小男孩”來說，能把400萬個太陽質(zhì)量的物質(zhì)壓縮到體積半徑不高于45天文單位的空間中去，已經(jīng)是一個相當了不起且值得我們深入研究許久的壯舉了。