科普当数十亿颗恒星坍缩

　　撰文：Mark J. Reid（哈佛大学天体物理中心高级天文学家）
　　18世纪，英国的约翰·米歇尔（John Michell）和法国的拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）各自独立地构思着一个奇妙的想法，他们想象着，如果将巨大的质量放在一个小得令人难以置信的空间里将会发生什么。他们推测，如果将这个思想实验推向极限，那么任何东西都将无法逃离引力的束缚，哪怕是光。米歇尔和拉普拉斯所想象的正是今天被我们称之为黑洞的天体。
　　现在天文学家确信，当大质量恒星的核燃料被燃烧耗尽时，它们会坍缩到几近虚无从而形成一个黑洞。如果说恒星坍缩成黑洞是一个令人震惊的概念，那么一种更令人匪夷所思的可能性将是数百万乃至数十亿颗恒星物质聚集在一起形成一颗超大质量黑洞。然而天文学家现在已经确定超大质量黑洞确实存在，而且在宇宙的1000多亿个星系中，他们在大多数星系里都发现了超大质量黑洞。
　　我们是如何得出这个惊人的结论呢？这个故事要从20世纪中期开始讲起，当时，天文学家将视野扩展到了人类眼睛所敏感的那段极为狭窄的波长范围之外。他们发现了非常强的射电源，当确定了这些射电源的精确位置后，他们发现许多射电源都位于遥远星系的中心。不久之后，为了更好地提高角分辨率，他们将不同的射电天线连接在一起。这些新的＂干涉仪＂为星系揭示出了一幅完全出乎意料的射电辐射图景——这些射电波似乎并不是来自星系本身，而是来自处于星系周围对称位置上的两个巨大的瓣状结构。图1展示了这样的一个射电星系，它的名字是天鹅座A。射电瓣可以是宇宙中最大的结构之一，其大小超过星系本身的100倍。
　　○ 图1：天鹅座A星系的射电图像。占据图片中的显著位置的是两个巨大的射电辐射等离子＂瓣＂。寄主星系的光学图像会小于两个射电瓣之间的间隙。对一些射电瓣来说，驱动它们所需要的最低能量相当于1000万颗恒星转换成能量的总和。微弱的射电辐射痕迹连接着两个射电瓣与中心的亮点，这个亮点是所有能量的来源。| 图片来源：NRAO/AUI
　　巨大射电瓣的能量从何而来？它们在星系周围的对称性显然表明了它们与星系之间存在某种密切的联系。在20世纪60年代，灵敏的射电干涉仪通过发现微弱的轨迹，或者说是＂喷流＂，将射电辐射源从射电瓣追溯到一个非常致密的源头，这个源头精确地位于星系中心，从而证实了这种关系。这些发现促使射电天文学家增加干涉仪的尺寸，以便能以更高的分辨率观测这些射电辐射。最终导致了甚长基线干涉测量（VLBI）技术的出现，在这项技术中，来自处于世界各地的天线的射电信号被结合起来，从而获得了一个地球大小的望远镜才会有的角分辨率。VLBI观测得到的射电图像很快表明，以星系的标准衡量的话，射电星系中心的辐射源是＂微小的＂，甚至比太阳与离我们最近的恒星之间的距离还要小。
　　当天文学家计算驱动射电瓣所需要的能量时，他们大吃一惊——这个过程需要1000万颗恒星将它们的质量按照爱因斯坦的著名的质能方程E = mc²，完全转化成能量！然而，驱动了恒星的核反应甚至不能将恒星质量的1%转化为能量。因此，我们需要超过10亿颗恒星才能用核能来解释射电瓣的能量，而且这些恒星必须全部寄居在VLBI观测所显示的那块＂微小＂的体积内。基于这一系列的发现，天文学家开始思考另一种能源：超大质量黑洞。
　　鉴于超大质量黑洞很可能寄居在星系的中心，我们自然会想要检查一下银河系的中心是否就有这样一个庞然大物。1974年，天文学家在银河系中心发现了一个非常小的射电源，甚至不到1角秒（也就是1/3600度）。这个小小的射电源被命名为人马座A*（Sgr A*），图2右侧的图的中心处的点就是人马座A*。早期的VLBI观测结果表明，人马座A*比我们的太阳系要小得多。然而，无论是在可见光还是红外光，亦或是X射线波段的观测下，都不能明确地证实这一点，人马座A*的性质仍然扑朔迷离。
　　○ 图2：银河系中心区域的图像。左边是红外图像：恒星S2的轨道被覆盖了，这一轨道被放大了100倍，其轨道周期为16年，这需要S2围绕一个质量是太阳质量400万倍的引力中心旋转，图中的箭头表示就是一个看不见的引力中心。右边显示的是射电图像：点状射电源人马座A*在图像中心略微偏下的位置，恰好位于恒星环绕的引力中心。人马座A*在星系中心基本上是静止的，因此，它的质量一定是极其巨大的。 | 图片来源：左: R. Genzel; 右: J.-H. Zhao
　　同时，高分辨率红外摄像机的发展揭示出了位于银河系中心的一个密集的恒星集团。在可见光波段下是看不见这些恒星的，因为可见光会被星际尘埃完全吸收掉。但是在红外波段，10%的星光能不受阻挠地抵达我们的望远镜。天文学家已经对这些恒星的位置测量了20多年了，一个重要的发现将这些观测推向了最高点。他们发现那些恒星沿着椭圆轨道运动，而这恰恰是引力轨道的一个特有的特征。如今，我们已经完整地追踪过其中一颗恒星的轨道，如图2左侧的图像所示。
　　天文学家还追踪过许多恒星的部分轨道，这些轨道都与绕着一个单一物体运行的轨道一致。据观察，有两颗恒星离银河系中心的距离要小于太阳系的大小，按照星系的标准而言，这个距离是非常小的。在这个位置，引力非常的强，恒星必须以每秒近一万公里的速度绕其运行——这个速度快到足以在一秒之内横穿地球！这些测量结果都确切无疑地表明，恒星在围绕着一个看不见的、质量是太阳质量400万倍的引力中心运转。如此大的质量加上由恒星轨道所显示出的微小的体积（从天文学角度看），意味着极高的密度。在如此高的密度下，很难想象有什么物质不会坍缩成黑洞。
　　刚刚描述的红外波段的观测结果与射电波段的观测结果完美地互补了。为了识别出人马座A*在红外波段的对应物，射电源的位置需要被精确地转换到红外图像上。一种将这两种参照系绑定在一起的巧妙方法，它利用的是在射电和红外波段都可见的光源。红巨星就是一种理想的光源，它们在红外波段非常明亮，而且还具有来自它们周围分子所释放出的强烈射电辐射。通过比对红巨星在两种波段中的位置，可以将人马座A*的径向位置以0.001角秒的精度转换到红外图像上。这种方法将人马座A*精确地定位在了被恒星环绕的引力中心的位置。
　　有多少恒星轨道内的那些看不见的物质能与人马座A*射电源直接关联起来？如果人马座A*是一颗恒星，那么它也会像被观测到的那些其他恒星那样，以超过每秒1万公里的速度在强引力场中运动。只有当人马座A*的质量极大时，它才会缓慢地移动。二十多年来，天文学家一直在用VLBI技术来监测人马座A*的位置，他们发现在动态的银河系中心，人马座A*基本上是静止的。具体说来，就是人马座A*所固有的垂直于银河系平面的运动速度小于每秒1公里，这比地球绕太阳公转的速度慢30倍。人马座A*基本上是静止并固定在星系中心的，这意味着人马座A*的质量超过太阳质量的400万倍。
　　最近的VLBI观测表明，人马座A*的射电辐射尺寸小于水星轨道包含的范围。将如此小的可用体积与人马座A*的质量下限结合起来，就会得到让人乍舌的高密度。这个密度小于黑洞极限的10倍。在如此极端的密度下，我们几乎有了证明人马座A*是一个超大质量黑洞的压倒性证据。
　　这些发现因它们的直接和简洁而显得优雅。恒星的轨道为证明一个无法看见的超大质量中心提供了了然可见的证据。发现致密的射电源人马座A*恰好静止地处于看不见的物质的位置，为超大质量黑洞提供了更加令人信服的证据。它们共同为展示确有超大质量黑洞一事提供了简单而独特的证明。米歇尔和拉普拉斯会惊讶地发现，他们关于黑洞的推测不仅是正确的，而且比他们想象的还要宏伟得多。