誰吞噬了銀河系中心的恆星

科技 08-24

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。

在距離地球約2 5 0 0 0光年的地方，有一處非常神秘的所在。它是銀河系被塵埃遮蔽的中心，那裡擠滿了橫衝直撞的恆星。天文學家懷疑，在銀河系的最中央潛伏著一個質量超過太陽4 0 0萬倍的巨型黑洞——人馬座A*。直到最近，我們才通過觀測恆星圍繞它的轉動確認了它的存在。這個超大質量黑洞造成了時空結構的巨大扭曲，而這種扭曲正在撕裂恆星，引發一場恆星騷亂。這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。

宇宙學家認為，在每一個星系的中心都存在類似的超大質量黑洞。銀河系中心是我們研究其他同類星系的最佳標本，對它的觀測還給我們帶來了許多意想不到收穫。最近的觀測顯示，銀河系中心還存在第二個洞——一個只包含一些年輕恆星的神秘空白區。

之前，天文學家在銀河系中心發現了幾十顆年輕的恆星，它們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，大量更年老的恆星發出的微弱光線被這些年輕恆星的光掩蓋了。

然而，當三個天文學家小組分別把他們手中能夠穿透銀河系中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。他們掃視銀河系的時候，看到了數千顆年老的恆星。但是，當他們觀測非常靠近銀河系中心的地方時，發現恆星的數量出現了銳減，有一個直徑3光年的區域幾乎沒有恆星。

┋這個「洞」的故事

這是一個極大的意外，因為它違背了我們對銀河系中心的設想。人馬座A* 周圍的引力場被認為強到足以束縛它附近的恆星超過數十億年，為什麼在銀河系中心卻沒有較為年老的恆星呢？

最簡單而直接的解釋是，即使最新的紅外望遠鏡也沒有靈敏到能檢測出這些微弱光線的程度。另一個更令人興奮的可能就是銀河系中心周圍其實被許多難以看到的緻密天體佔據，例如超新星爆炸後留下的中子星和恆星質量的黑洞——它們幾乎不發出輻射。如果這種猜測是正確的，就表明在銀河系中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觀測到的所有其他地方截然不同。

錢德拉X 射線天文台拍攝的銀河系中心區域，人馬座A* 就位於圖中央的白色光斑中。

但是，這個解釋也存在問題。其中主要的問題是，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，它們應該會演化成很容易就被看到的紅巨星。那麼，為什麼我們沒有看到它們呢？一種可能是，恆星質量的黑洞吃掉了所有這些紅巨星。但這種情況其實很難發生，因為它需要的黑洞質量比銀河系中心最內部已知的1 0 0萬個太陽質量還要高。

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合併，外來的超大質量黑洞吞噬了銀河系的一些恆星。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 0 0 0萬千米）距離內的恆星都會被撕裂，由此可能導致恆星的消失。

┋盯上這個「洞」

用人馬座A * 來解釋依然存在破綻，於是有人提出了一個稍有不同的方案。經計算髮現，圍繞人馬座A* 運行的恆星的軌道會隨著時間推移變得越來越長、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，要形成一個無星區，不但需要恆星不斷滑入超大質量黑洞的口中，還要阻止其他恆星進入這一區域。很難想出有什麼辦法能阻擋恆星進入銀河系中心。

因此，儘管已經有了很多假設，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，或者完全排除哪一個。現在只能假設，那裡有個「洞」，但我們不知道這個「洞」產生的確切原因。為了找到答案，我們不得不更靠近銀河系中心的這個怪物。

幸運的是，許多技術正在幫助天文學家做到這一點。同時，這些技術還可以幫助我們實現一個更遠大的願望——對愛因斯坦的廣義相對論進行檢驗。廣義相對論已經在行星、恆星和星系附近被驗證了，每次它都以優異的成績通過了測試。但至今它還沒有在黑洞的極端引力場中被檢驗過，那裡的空間和時間都遭到了極強的扭曲。天文學家希望能通過觀測物質究竟是如何落入黑洞的，來判斷黑洞是否真的如廣義相對論描繪的那樣。

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接收到的信號，模擬出一個猶如地球一樣大的天線。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超大質量黑洞最顯著的特徵——事件視界。視界是下落物體一去不復返的地方，它的直徑約1 5 0 0萬千米，相當於地球到太陽距離的1％——這個距離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，仍然只能達到其1/ 3的清晰度。這相當於在紐約辨認柏林的一枚銀幣上的日期。

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，即在1.3毫米甚至0.8 7毫米的波長上來觀測。這項技術應該能讓我們看到人馬座A*的視界附近正在發生的事情。即便如此，事情也不會這麼容易。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發射出來的。為了在這個黑洞附近檢驗廣義相對論，我們不得不先用計算機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，但它無法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河系中心1 0 0光天範圍內的2 0顆極為明亮的恆星的軌道。其中有一顆恆星特別突出，它被稱為S2，質量是太陽的2 0倍。S2是唯一被觀測到的已經圍繞銀河系中心公轉一周的恆星，它花了1 5年的時間完成這一旅程。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4 3 0萬倍，略高於原先的估計。

對銀河系中心附近恆星的觀測結果。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恆星軌道。可以看到，迄今只觀測到S2繞銀河系中心轉動一周的運動。

但請不要忘記，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，所以我們知道那裡有一個大質量天體，而它最可能是一個黑洞。但我們同樣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，還能讓我們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，認為黑洞其實非常簡單，用它的質量以及自轉的速度就能對其進行充分描述。有理論物理學家認為，通過研究銀河系中心超大質量黑洞附近恆星的軌道，就可以檢驗這個定理，進而驗證廣義相對論。一個方法是觀測。愛因斯坦的理論預言，一顆圍繞銀河系中心公轉的恆星，其軌道上最靠近銀河系中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就更妙了。這樣你就可以利用這兩顆恆星的軌道關係來消除黑洞的質量，由此進動將只依賴黑洞的自轉。如果事實證明進動依賴更複雜的東西，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被證明是錯誤的。因此，其科學回報是很大的。

另一種檢驗相對論的方法是使用脈衝星。這些超新星爆發遺留下的超高密度天體會以極高的速度自轉，每轉一圈，其猶如燈塔的射電波束就會掃過天空。正是由於其極強的規律性，它們成了宇宙中極其精準的時鐘。如果銀河系中心存在脈衝星，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。只要探測到這個效應，我們就有了一個超大質量黑洞存在的證據。

┋新的目標

不幸的是，脈衝星極為暗弱，這使它們難以在多塵的銀河系中心被發現。但天文學家正嘗試探測銀河系中所有的脈衝星，很有希望在銀河系中心找到它們。

目前，廣義相對論還沒有受到威脅，而S2是已知的軌道距人馬座A* 在1光天之內的唯一恆星。要想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河系中心的恆星。

為此，天文學家正在升級由設在夏威夷的兩架1 0米凱克望遠鏡組成的紅外干涉儀。與此同時，他們還在建造一台儀器，它能夠綜合歐洲南方天文台的4架甚大望遠鏡收集的近紅外輻射數據，進而以前所未有的解析度觀測那些暗弱的天體。他們希望能由此觀測到運行在幾倍於超大質量黑洞視界直徑範圍內的恆星。

數十億年來，銀河系的中央一直隱藏著它最深的秘密。不過，也許要不了多久，我們就能直擊這個區域。