銀河系浩渺無際，十萬光年內(nèi)聚集了千億恒星——哪一顆最值得久久端詳？
一個(gè)年近古稀的老人，用半輩子時(shí)間凝望著一顆星，回答了這個(gè)問題。
他就是德國(guó)天文學(xué)家Reinhard Genzel。
他的這顆星連名字都沒有，只有個(gè)編號(hào)'S2’，卻揭示出銀河系中心最黑暗的秘密，為他贏得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這是怎么回事，聽我慢慢道來。
Genzel之前的'黑洞’
從科學(xué)家到大眾，當(dāng)代人已經(jīng)完全接受了'黑洞’這種極端天體存在的事實(shí)。但從最早有關(guān)黑洞的'腦洞’被提出，到黑洞被理解、被證實(shí)，科學(xué)界走過了相當(dāng)長(zhǎng)的一段路。
早在18世紀(jì)末（乾隆年間?。?，就有英、法兩國(guó)物理學(xué)家開過這樣的腦洞：如果保持太陽密度不變，但是把它的直徑拓展五百倍，讓它的總質(zhì)量提高上億倍，那根據(jù)牛頓力學(xué)，這樣一顆星表面的逃逸速度將超過光速。而如果光無法逃離這顆星，它看起來應(yīng)該是黑色的。他們把這種假想的天體叫做'黑星’，這是關(guān)于黑洞最早的科學(xué)幻想。
1915年，愛因斯坦廣義相對(duì)論的提出刷新了人類對(duì)時(shí)空本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。一個(gè)名叫史瓦西的德國(guó)小伙子看到愛因斯坦場(chǎng)方程后只用了不到一個(gè)月，就得出了一個(gè)解。雖然不久之后他就在一戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)上染病身亡，但其他科學(xué)家從他的這個(gè)解中提取出一個(gè)關(guān)鍵的物理量——'史瓦西半徑’。
這個(gè)僅由天體質(zhì)量決定的半徑數(shù)值，成了理解黑洞概念的關(guān)鍵：如果宇宙中的一定質(zhì)量的天體可以被壓縮到對(duì)應(yīng)的史瓦西半徑內(nèi)，它就會(huì)無限地向內(nèi)塌縮，直到變成一個(gè)無限小的'奇點(diǎn)’。這樣形成的極端天體，或者說這樣一個(gè)極端的時(shí)空區(qū)域，就被稱作'黑洞’。
現(xiàn)在我們知道，黑洞按照其質(zhì)量，大致可以分為兩類：恒星級(jí)黑洞，一般形成于大質(zhì)量恒星死亡之時(shí)，質(zhì)量可以達(dá)到幾十個(gè)太陽質(zhì)量；還有一種叫超大質(zhì)量黑洞，往往位于星系中心，質(zhì)量可以達(dá)到幾百萬甚至幾億個(gè)太陽質(zhì)量。
說起來最早的'黑星’假說中，'黑星’就被想象為上億倍太陽質(zhì)量的龐然大物。但真正發(fā)現(xiàn)這種宇宙級(jí)'巨獸’的存在，還是20世紀(jì)60年代的事。
當(dāng)時(shí)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種看起來跟恒星差不多的點(diǎn)光源狀天體'類星體’，但它們擁有很強(qiáng)的無線電輻射、具有不規(guī)律的亮度變化，而且在從其光譜中識(shí)別出一些譜線后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這東西往往都極其遙遠(yuǎn)——意味著要達(dá)到我們觀測(cè)到的亮度，它們本身需要具有超過整個(gè)星系的發(fā)光功率。進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，它們都位于遙遠(yuǎn)星系的中心，只不過因?yàn)樾窍抵黧w跟類星體相比太暗，往往只有最亮的核心被我們看到，因而才有'類星’的形態(tài)。
天文學(xué)家考慮過，這會(huì)不會(huì)是超大質(zhì)量的恒星導(dǎo)致的？但要達(dá)到這么高的亮度，理論上需要幾百、上千倍太陽質(zhì)量的恒星。這種恒星即使有，也會(huì)因?yàn)闊锰於芸毂罎ⅲ蛔阋越忉岊愋求w現(xiàn)象。
理論天體物理家們指出這樣一種可能性：如果有一個(gè)幾百萬太陽質(zhì)量的黑洞，它的史瓦西半徑只有幾個(gè)太陽那么大，那任何物質(zhì)在向這個(gè)黑洞掉落的過程中，都會(huì)像是掉入一個(gè)極深的井中，讓掉落物質(zhì)的引力勢(shì)能得以充分釋放。用愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)化方程E=MC2衡量，核聚變只能燒掉0.1%的質(zhì)量，而物質(zhì)掉向黑洞的過程，則可以轉(zhuǎn)化出相當(dāng)于物質(zhì)質(zhì)量30%以上的能量！
黑洞不僅不黑，還是宇宙中最強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)！
銀河系中心是什么
既然宇宙中很多星系中心都疑似存在超大質(zhì)量黑洞，天文學(xué)家自然會(huì)想到，我們自己的銀河系中心，會(huì)不會(huì)也存在著超大質(zhì)量黑洞？
反過來說，如果天文學(xué)家能在銀河系中心確認(rèn)超大質(zhì)量黑洞的存在，就可以推而廣之，確認(rèn)用超大質(zhì)量黑洞來解釋類星體這種理論的可靠性。
上世紀(jì)70、80年代，天文學(xué)家用當(dāng)時(shí)已經(jīng)相當(dāng)豐富的各種觀測(cè)手段對(duì)準(zhǔn)銀心一陣猛拍，發(fā)現(xiàn)這里確實(shí)不太對(duì)勁。
1977年，這里被發(fā)現(xiàn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)猛烈的電子、正電子湮滅輻射——說明銀心有一個(gè)致密天體，在猛烈撕扯周圍的物質(zhì)。
在射電波段，天文學(xué)家也識(shí)別出銀心一個(gè)小而強(qiáng)的輻射源——人馬座A*。得益于射電天文學(xué)在60年代發(fā)展出來的甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)，人馬座A*的位置可以被非常準(zhǔn)確的確定出來。美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)的一組研究人員看了7年時(shí)間，發(fā)現(xiàn)人馬座A*幾乎一動(dòng)不動(dòng)，仿佛絲毫沒有受到周圍天體運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)——說明它有著巨大的質(zhì)量。
射電天文學(xué)家還繪制出銀心星云的分布。他們發(fā)現(xiàn)雖然銀心附近也有不少星云，但最靠近中心的地方，存在一個(gè)10光年大小的空腔，像是被吸塵器掃蕩過一樣。而空腔外尚存的星云，則被質(zhì)量巨大的引力中心拉扯成長(zhǎng)條狀，有的可以被加速到每秒上千公里的高速。
丨銀心附近的氣體空腔（Genzel在1990年《科學(xué)美國(guó)人》文章配圖）
時(shí)間來到1987年。為了推測(cè)中間這個(gè)超強(qiáng)引力中心是一個(gè)單獨(dú)的超大質(zhì)量天體（黑洞），還是由一團(tuán)不怎么發(fā)光的致密天體（比如中子星）組成的密集星團(tuán)，年僅35歲的Genzel放了個(gè)大招：他主筆的一篇大綜述文章總結(jié)了很多不同人的觀測(cè)，通過銀心附近不同距離處天體的不同公轉(zhuǎn)速度，確定了銀心附近的質(zhì)量分布（即不同半徑內(nèi)分別包含了多少質(zhì)量）。
他發(fā)現(xiàn)，那個(gè)10光年空腔的內(nèi)外，質(zhì)量分布迥然不同?？涨煌鈧?cè)，看起來就是一大團(tuán)恒星，質(zhì)量分布按密集星團(tuán)的理論規(guī)律改變；而進(jìn)入空腔內(nèi)側(cè)，就逐漸從原來的規(guī)律'跑偏’，甚至到距離中心1光年以內(nèi)的區(qū)域中，包含的質(zhì)量幾乎不再隨半徑改變，看起來像是沒什么別的東西了，更像只有中心一個(gè)超大質(zhì)量的點(diǎn)狀天體。
丨銀心附近的不同半徑內(nèi)所包含的質(zhì)量隨半徑的變化，圖中包含本文下一小節(jié)即將介紹的內(nèi)容（馬普地外所2018年進(jìn)展報(bào)告）
這個(gè)思路非常棒。但這個(gè)超大質(zhì)量中心天體究竟是不是黑洞，就要在接下來的幾十年中再行詳查了。
發(fā)現(xiàn)S2，盯住S2
從1991年開始，Genzel不斷改進(jìn)觀測(cè)設(shè)備甚至打造自己的專屬相機(jī)，以應(yīng)對(duì)諸如由地球大氣造成的'視寧度’[1]等問題。積累幾年數(shù)據(jù)后，Genzel在1996年刊文《自然》雜志，報(bào)告了他的發(fā)現(xiàn)：他的團(tuán)隊(duì)找到銀心附近的39顆恒星，最近的距離銀心僅有0.1光年。
發(fā)現(xiàn)銀心星團(tuán)后，才是漫長(zhǎng)等待的開始。
他在等這些恒星在中心天體巨大引力的掌控下，滑出一道道優(yōu)雅的軌跡，讓他可以根據(jù)這些恒星軌道，計(jì)算出中心天體的位置、質(zhì)量等信息。
而其中肩負(fù)重任的那顆恒星，就是離銀心最近的'S2’。
Genzel盯了十一年之后，S2星在2002年第一次來到了近心點(diǎn)。
這一次，距離不再以光年、光月、光日計(jì)算。這一次，S2到銀心之間只有17光時(shí)，日地平均距離的125倍。
這次過近心點(diǎn)讓Gezel算出中心天體的密度下限，他當(dāng)時(shí)已經(jīng)可以得出結(jié)論：它就是個(gè)黑洞。
雖然這個(gè)發(fā)現(xiàn)在30年后足以讓他獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但他并沒有止步于此，S2的發(fā)現(xiàn)給Genzel帶來更大的野心：他想用更高精度的望遠(yuǎn)鏡測(cè)量它的軌道。
畢竟它的公轉(zhuǎn)周期，只有16年，短于人的壽命——那么，再盯16年就是了。
從2003年開始，Genzel不斷'鳥槍換炮’，以獲得更高的天體定位精度，在2018年S2再次經(jīng)過近心點(diǎn)時(shí)，Genzel可以精確測(cè)量出S2每隔一兩天的位置變化！
|S2星2018年過近心點(diǎn)時(shí)位置的逐日變化（諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)2020年物理學(xué)獎(jiǎng)解讀材料）
極高的測(cè)量精度讓Genzel不止可以玩轉(zhuǎn)簡(jiǎn)單的密度計(jì)算——他可以把廣義相對(duì)論玩出花來了。
100年前，人們通過對(duì)太陽系內(nèi)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)，對(duì)牛頓力學(xué)提出了質(zhì)疑；又用太陽引力對(duì)背景恒星星光偏折的觀測(cè)，宣告了廣義相對(duì)論制霸物理學(xué)界時(shí)代的到來。
這倆效應(yīng)，Genzel在兩萬多光年之外的S2星軌道中，都觀測(cè)到了。
這是Genzel獲得的強(qiáng)有力證據(jù)，這一來，對(duì)銀心超大質(zhì)量黑洞存在的驗(yàn)證、對(duì)廣義相對(duì)論的驗(yàn)證，都可以說是板上釘釘了——釘?shù)觅\結(jié)實(shí)那種。
周遭佚事
篇幅所限，一些佚事未能展開。
比如，Genzel的父親，Ludwig Genzel，也是個(gè)大物理學(xué)家，德國(guó)馬普固體物理研究所的創(chuàng)始所長(zhǎng)。他對(duì)紅外干涉儀的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，間接奠定了其子Reinhard Genzel的成功。
比如，與Genzel一起拿諾獎(jiǎng)的還有一個(gè)美國(guó)的女天文學(xué)家，Andrea Ghez。她稍晚于Genzel開始研究S2星，但也在大體同期使用美國(guó)一對(duì)10米口徑的凱克望遠(yuǎn)鏡，對(duì)S2星軌道進(jìn)行了精確測(cè)量，其結(jié)果與Genzel形成很重要的互相印證，坐實(shí)了相關(guān)結(jié)論。
比如，Genzel用VLT發(fā)現(xiàn)過幾次銀心黑洞附近的'閃耀’。這種據(jù)推測(cè)為小塊物質(zhì)掉入黑洞引發(fā)的閃耀，發(fā)生在3-5個(gè)史瓦西半徑處，幾乎就是'貼臉’了。這種比S2還近的距離，進(jìn)一步加強(qiáng)了銀心存在超大質(zhì)量黑洞這個(gè)結(jié)論的可靠性。
比如，從S2第二次抵達(dá)近心點(diǎn)到Genzel獲獎(jiǎng)的這兩三年間，還發(fā)生了一些同樣重要的事情：'美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)’（LIGO）探測(cè)到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波；把橫跨整個(gè)地球直徑的數(shù)臺(tái)望遠(yuǎn)鏡連接起來的'視界面望遠(yuǎn)鏡’（EHT）拍下了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的光環(huán)；以及，霍金逝世。
▽▽▽
說回Genzel。他，出身學(xué)霸世家、年少即有大為；但他沒有揮霍自己的資源，而是踏踏實(shí)實(shí)用一輩子，只看了一顆星、只做了一件事，最終無負(fù)于家尊、無負(fù)于時(shí)代。
當(dāng)然，也好在剛好有那么一顆周期'僅’16年的S2星，能抵近到距離黑洞17光時(shí)的地方。用Genzel自己的話說，這算是天文學(xué)家的'大運(yùn)’了。
11月6日騰訊科學(xué)WE大會(huì)，Reinhard Genzel將引領(lǐng)大家一探宇宙深幽。一起線上赴約吧！
[1]視寧度：大氣湍流造成星光傳播路徑上大氣折射率復(fù)雜分布、快速變化，影響望遠(yuǎn)鏡成像的清晰度。視寧度即為衡量這種大氣湍流效應(yīng)的物理量。
作者
劉博洋
西澳大學(xué)射電天文博士
天文科普作家
諢號(hào)：“天文八卦學(xué)家”
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