本文來自微信公眾號：原理（ID：principia1687），作者：小雨，題圖來自：ETH
抬頭仰望星空，那片璀璨的銀河不知震撼了多少人的心靈。然而，千年以來，人們不知道的是與看得見的恆星一同存在於這片夜空的還有許多看不見的緻密天體——黑洞。直到近幾十年來，科學家才發現神秘的黑洞是真實存在的。
在銀河系中，潛藏著上千萬個甚至上億個黑洞，這些黑洞的質量基本是太陽質量的數倍到數十倍。但最令人驚奇的是，在銀河系的最中心是一個質量約為400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。天文學家是如何一步步發現這個“引力怪獸”的存在的，讓我們回到近100年前......
一個謎團
上世紀30年代初，卡爾·央斯基（Karl Jansky）正在使用他自己製作的旋轉天線進行一項實驗。他的任務是尋找可能干擾無線電傳輸的來源。在分析了所有收集到資料後，他發現大部分干擾源來自雷暴，但同時他也探測到了源頭不明的微弱而穩定的嘶嘶聲。進一步的研究表明，這個來源不明的訊號實際上來自人馬座的方向，也就是銀河系的中心。
這個謎團到了50年代變得更加撲朔迷離，當時天文學家發現越來越多非常明亮的射電源散佈在宇宙各處，位於其他星系的中心。然而，在可見光波段下，這些星系看起來就像是非常微弱的恆星，因此被命名為“類星體”，意為“類似恆星的天體”。
1963年，這個謎團開始浮出水面。當時，天文學家馬丁·施密特（Maarten Schmidt）計算出了類星體3C 273的距離非常非常遙遠。透過將距離與從地球上看到的視亮度相結合，科學家意識到3C 273在射電波段發出了異常明亮的光芒，釋放出的能量是包含千億顆恆星的銀河系的1000多倍。
類星體如何產生如此大的能量？一種解釋是，在類星體的中心存在著一個超大質量黑洞，黑洞在吞噬周圍的物質時會加熱這些物質並釋放出巨大的能量。然而，“可能的解釋”是不夠的，科學需要證據。天文學家想知道如何證明超大質量黑洞確實是類星體的“隱形引擎”。
類星體。（圖／Crafoordprize）
黑洞以其強大的引力而聞名。因此，天文學家不禁想，為什麼不追蹤類星體附近的恆星或氣體雲的軌跡呢？這是一個偉大的想法，但有一個缺陷——類星體距離我們太遙遠了，我們無法直接觀測到在它們周圍執行的恆星或氣體雲。因此，天文學家不得不把目光聚焦在位於更近星系中的射電源上，雖然這些射電源沒有類星體中的那麼強大。而若要論起“近”，有哪個星系能比我們所在的星系更近呢？
穿透塵埃
所以天文學家把目光轉向了銀河系的中心和那裡的恆星。但位於我們和銀河系中心之間的那些厚厚的、巨大的星際塵埃雲，給我們帶來了麻煩。這些塵埃會吸收來自銀河系中心的光，迫使天文學家放棄使用可見光，轉而使用波長更長的紅外和射電波——它們能夠幾乎不被削弱地穿過塵埃雲。
銀河系中心區域，其中暗帶是塵埃雲，會阻擋可見光。（圖／ESO， S. Guisard）
這正是查爾斯·湯斯（Charles Townes）和他的團隊在20世紀70年代在伯克利所做的研究。當時，他們用紅外光追蹤了人馬座A*周圍的氣體的運動，根據氣體的繞中心旋轉的速度，他們推測出銀河系中心所包含的質量比太陽質量高出200萬到400萬倍之間。這很符合那裡隱藏著一個超大質量黑洞的推測。
這是一個驚人的結果，卻不是最終的答案，因為還有兩個問題仍然存在。首先，這一結果並不能保證引力是影響著觀測到的氣體軌道的唯一的力，磁場和恆星風也可能以類似於黑洞引力的方式扭曲軌道。第二，當時的技術無法讓研究團隊觸及射電源的幾光年之內，儘管這個尺度與星系尺度比起來很小，但卻比超大質量黑洞大幾百萬倍。因此，我們不能排除或許是有其他天體影響了觀測到的恆星和氣體的軌道。我們需要更好的追蹤和更近的距離，但這都需要新的技術。
追蹤恆星
90年代上半葉，兩個天文學家團隊分別觀察了銀河系中心周圍的恆星軌道，一個是由根澤爾（Reinhard Genzel）領導的團隊，另一個是由蓋茲（Andrea M. Ghez）領導的團隊。根澤爾的團隊使用了智利的兩個歐南臺（ESO）裝置——位於拉斯拉天文臺的3.6米新技術望遠鏡（NTT）和幾年後的甚大望遠鏡（VLT）。而蓋茲的團隊所使用的是位於夏威夷的10米凱克望遠鏡。
根澤爾用NTT的觀測依賴於一種被稱為斑點成像法的技術，這種技術使用非常短的曝光來凍結大氣畸變。但這種技術的適用範圍僅限於相對明亮的恆星，所以還需要另一種技術——自適應光學。在自適應光學中，一個薄薄的反射鏡可以透過每秒變形數百次甚至數千次來糾正大氣模糊。這需要實時監測一個明亮的參考源，這個參考源要麼是視場內的真實恆星，要麼是用鐳射在高空大氣中製造的人造“恆星”。
（圖／Nobelprize）
利用自適應光學，根澤爾和蓋茲的團隊成功地看到了在距離人馬座A*一光月之內以大約2000km/s的驚人速度執行的恆星，這是表明那裡潛藏著一個非常緻密、質量是太陽質量幾百萬倍的天體的另一個跡象。
還能收集到更令人信服的證據嗎？答案是肯定，如果能夠發現距離銀心更近的恆星的話。
這樣一顆被稱為S2的恆星，最終還是被發現了，它距離人馬座A*只有17光時，相當於海王星繞太陽公轉軌道的4倍。結果證實，一個質量為幾百萬個太陽的天體集中在了一個行星尺度上，排除了許多超大質量黑洞的替代物的可能。到2002年，天文學家確信銀河系中心最有可能存在的是一個超大質量黑洞。
繞銀河系中心黑洞執行的恆星。（圖／ESO）
在接下來的幾年裡，天文學家追蹤到了更多的恆星，觀測了消失在視界之外的物質所發出的閃光，甚至“實時”目睹了一次氣體雲的命運——被黑洞引力撕裂。
但是，還有一件事是天文學家們不能錯過的，那就是S2繞人馬座A*的軌道執行一週需要16年的時間，在2018年，它將再次經過距離這顆黑洞最近的地方。由於黑洞是廣義相對論所預言的，所以這是一次對檢驗廣義相對論的寶貴機會。同時也能夠收集到更多與關於人馬座A*有關的資訊。
不見不散
為了充分利用這次機會，根澤爾的團隊必須做到比用單個8米望遠鏡更高的清晰度。因此，他們決定使用ESO的甚大望遠鏡干涉儀（VLTI），它能將單個望遠鏡所收集的光結合在一起，提供了無與倫比的清晰度。他們與ESO一起建造了了GRAVITY，這是一個安裝在VLTI上的第二代儀器，能夠以極高的精確度定位恆星的位置。
（圖／NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello）
他們得到了驚人的結果。與此同時，研究團隊還能夠觀測到與廣義相對論的預測極為一致的效應。他們探測到了引力紅移，即當恆星的光在黑洞的極端引力勢中爬升時，會失去一部分能量，從而波長被拉伸得更長。他們還觀察到了施瓦西進動，這是恆星圍繞黑洞旋轉的軌道，他們是透過比較這顆恆星在2018年和2002年的位置發現了這一點。
施瓦西進動。為了便於觀察，恆星軌道的進動效果被誇大了。（圖／ESO）
因此，這就是全部嗎？當然不是。
在接下來的幾年裡，團隊進一步看向深處，發現瞭如S29等更暗淡的恆星。2021年5月底，S29以創紀錄的速度8740 km/s和130億千米的距離（90倍地日距離）抵達最接近黑洞的點。根據這些測量，研究人員能夠對這個超大質量黑洞與我們的距離做出最精確的估計——26996光年，質量是太陽的429.7萬倍。
Gravity在2021年獲得的影象。圖中顯示了非常k靠近人馬座A*的恆星軌道，包括了S29和在VLTI新觀測中首次被發現的S300。（圖／ESO）
根澤爾和蓋茲因也因他們對人馬座A*所做的工作而榮獲了2020年的諾貝爾物理學獎。
看見黑洞
儘管我們對人馬座A*已經越來越瞭解，但是我們還缺少一樣東西：它的照片！為了給黑洞拍照，事件視界望遠鏡（EHT）合作專案組用干涉測量法連線了遍佈全球的射電天文臺，建立了一個地球大小的虛擬望遠鏡。2017年，EHT瞄準了兩個目標：一個是位於M87星系中心的超大質量黑洞，另一個便是人馬座A*。
EHT是一臺虛擬地球大小的射電望遠鏡。（圖／NSF）
三年前，強大的EHT讓我們看到了史上第一張黑洞影象。而今天，我們終於看到了屬於我們星系中心的超大質量黑洞。儘管人馬座A*比M87中心的黑洞小1000多倍，質量也比它小很多很多。但這兩個在不同星系且具有非常不同質量的黑洞看起來非常相似。有了這兩個影象，我們就可以更深入地測試引力在這些極端環境中的行為。
這次前所未有的觀測也將極大地提升我們對銀河系中心的理解，併為這些巨大的黑洞如何與周圍環境相互作用提供新見解。
參考來源：
https://eventhorizontelescope.org
https://www.eso.org/public/blog/our-quest-for-sagittarius-a/
https://www.eso.org/public/images/eso1907o/
本文來自微信公眾號：原理（ID：principia1687），作者：小雨