大眾都了解黑洞吞噬恒星，然而銀河系的中心要比我們預(yù)想的更加黑暗——這并不僅僅因?yàn)槟抢锸且粋€(gè)超大質(zhì)量黑洞。

在距離地球約25 000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，那里擠滿了橫沖直撞的恒星。天文學(xué)家懷疑，在銀河系的最中央潛伏著一個(gè)質(zhì)量超過太陽400萬倍的巨型黑洞——人馬座A*。直到最近，我們才通過觀測恒星圍繞它的轉(zhuǎn)動(dòng)確認(rèn)了它的存在。這個(gè)超大質(zhì)量黑洞造成了時(shí)空結(jié)構(gòu)的巨大扭曲，而這種扭曲正在撕裂恒星，引發(fā)一場恒星騷亂。這為我們在最極端環(huán)境下檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供了理想的場所。

宇宙學(xué)家認(rèn)為，在每一個(gè)星系的中心都存在類似的超大質(zhì)量黑洞。銀河系中心是我們研究其他同類星系的最佳標(biāo)本，對(duì)它的觀測還給我們帶來了許多意想不到的收獲。最近的觀測顯示，銀河系中心還存在第二個(gè)洞——一個(gè)只包含一些年輕恒星的神秘空白區(qū)。

之前，天文學(xué)家在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了幾十顆年輕的恒星，它們發(fā)出的明亮藍(lán)色輻射強(qiáng)得足以沖破籠罩它們的塵埃。天文學(xué)家認(rèn)為它們只是更多恒星的冰山一角，大量更年老的恒星發(fā)出的微弱光線被這些年輕恒星的光掩蓋了。

然而，當(dāng)三個(gè)天文學(xué)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(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)那里的時(shí)候，這一切都改變了。他們掃視銀河系的時(shí)候，看到了數(shù)千顆年老的恒星。但是，當(dāng)他們觀測非?？拷y河系中心的地方時(shí)，發(fā)現(xiàn)恒星的數(shù)量出現(xiàn)了銳減，有一個(gè)直徑3光年的區(qū)域幾乎沒有恒星。

這個(gè)“洞”的故事

這是一個(gè)極大的意外，因?yàn)樗`背了我們對(duì)銀河系中心的設(shè)想。人馬座A*周圍的引力場被認(rèn)為強(qiáng)到足以束縛它附近的恒星超過數(shù)十億年，為什么在銀河系中心卻沒有較為年老的恒星呢？

最簡單而直接的解釋是，即使最新的紅外望遠(yuǎn)鏡也沒有靈敏到能檢測出這些微弱光線的程度。另一個(gè)更令人興奮的可能就是銀河系中心周圍其實(shí)被許多難以看到的致密天體占據(jù)，例如超新星爆炸后留下的中子星和恒星質(zhì)量的黑洞——它們幾乎不發(fā)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恒星都是能以超新星的形式結(jié)束自己生命的大質(zhì)量恒星。這將使該區(qū)域與我們觀測到的所有其他地方截然不同。

但是，這個(gè)解釋也存在問題。其中主要的問題是，這些大質(zhì)量恒星不會(huì)獨(dú)自形成、長大，少量小質(zhì)量恒星也應(yīng)該在那里形成。在這些小質(zhì)量恒星生命的盡頭，它們應(yīng)該會(huì)演化成很容易就被看到的紅巨星。那么，為什么我們沒有看到它們呢？一種可能是，恒星質(zhì)量的黑洞吃掉了所有這些紅巨星。但這種情況其實(shí)很難發(fā)生，因?yàn)樗枰暮诙促|(zhì)量比銀河系中心最內(nèi)部已知的100萬個(gè)太陽質(zhì)量還要高。

一個(gè)更奇特的解釋是，在過去的某個(gè)時(shí)間，銀河系與另一個(gè)星系發(fā)生了合并，外來的超大質(zhì)量黑洞吞噬了銀河系的一些恒星。此外，人馬座A*本身也可以造成其周圍恒星的缺失。任何進(jìn)入超大質(zhì)量黑洞周圍約5光分（相當(dāng)于9000萬千米）距離內(nèi)的恒星都會(huì)被撕裂，由此可能導(dǎo)致恒星的消失。

盯上這個(gè)“洞”

用人馬座A*來解釋依然存在破綻，于是有人提出了一個(gè)稍有不同的方案。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，圍繞人馬座A*運(yùn)行的恒星的軌道會(huì)隨著時(shí)間推移變得越來越長、越來越扁。最終，這些恒星會(huì)由于過于靠近中央黑洞而被吞噬。不過，這個(gè)理論也有問題。由于恒星在不斷形成，要形成一個(gè)無星區(qū)，不但需要恒星不斷滑入超大質(zhì)量黑洞的口中，還要阻止其他恒星進(jìn)入這一區(qū)域。很難想出有什么辦法能阻擋恒星進(jìn)入銀河系中心。

因此，盡管已經(jīng)有了很多假設(shè)，但這個(gè)謎依舊。目前的天文觀測結(jié)果也不足以真正地確定這些解釋中哪一個(gè)最有可能，或者完全排除哪一個(gè)。現(xiàn)在只能假設(shè)，那里有個(gè)“洞”，但我們不知道這個(gè)“洞”產(chǎn)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(gè)怪物。

幸運(yùn)的是，許多技術(shù)正在幫助天文學(xué)家做到這一點(diǎn)。同時(shí)，這些技術(shù)還可以幫助我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)更遠(yuǎn)大的愿望——對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論進(jìn)行檢驗(yàn)。廣義相對(duì)論已經(jīng)在行星、恒星和星系附近被驗(yàn)證了，每次它都以優(yōu)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(yàn)過，那里的空間和時(shí)間都遭到了極強(qiáng)的扭曲。天文學(xué)家希望能通過觀測物質(zhì)究竟是如何落入黑洞的，來判斷黑洞是否真的如廣義相對(duì)論描繪的那樣。

到目前為止，最有前景的技術(shù)是甚長基線干涉測量（VLBI），它綜合了世界各地射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)，模擬出一個(gè)猶如地球一樣大的天線。這個(gè)虛擬天線可以分辨出天體的微小細(xì)節(jié)，但即便如此，它還沒有強(qiáng)大到能識(shí)別出超大質(zhì)量黑洞最顯著的特征——事件視界。視界是下落物體一去不復(fù)返的地方，它的直徑約1500萬千米，相當(dāng)于地球到太陽距離的1%——這個(gè)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(dá)到其1/3的清晰度。這相當(dāng)于在紐約辨認(rèn)柏林的一枚銀幣上的日期。

不過，有一個(gè)辦法可以提高VLBI的分辨率，那就是觀測比現(xiàn)今所用厘米波波長更短的波段，即在1.3毫米甚至0.87毫米的波長上來觀測。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該能讓我們看到人馬座A*的視界附近正在發(fā)生的事情。

即便如此，事情也不會(huì)這么容易。我們試圖觀測的射電波是由盤旋著掉入超大質(zhì)量黑洞的電離氣體發(fā)射出來的。為了在這個(gè)黑洞附近檢驗(yàn)廣義相對(duì)論，我們不得不先用計(jì)算機(jī)模擬螺旋運(yùn)動(dòng)的氣體，預(yù)測它的射電輻射，并與觀測結(jié)果相比較。VLBI是一種很有前途的技術(shù)，但它無法給我們提供一個(gè)干凈的信號(hào)，這是它惱人的地方。

其他天文學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了一條更干凈地探測人馬座A*的途徑：觀測圍繞它公轉(zhuǎn)的單顆恒星。他們已經(jīng)觀測了距離銀河系中心100光天范圍內(nèi)的20顆極為明亮的恒星的軌道。其中有一顆恒星特別突出，它被稱為S2，質(zhì)量是太陽的20倍。S2是唯一被觀測到的已經(jīng)圍繞銀河系中心公轉(zhuǎn)一周的恒星，它花了15年的時(shí)間完成這一旅程。由此，天文學(xué)家計(jì)算出銀河系中央超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽的430萬倍，略高于原先的估計(jì)。

但請(qǐng)不要忘記，直至現(xiàn)在，這仍是銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的唯一間接證據(jù)。由于它的引力影響著附近恒星的運(yùn)動(dòng)，所以我們知道那里有一個(gè)大質(zhì)量天體，而它最可能是一個(gè)黑洞。但我們同樣需要直接的證據(jù)來確定?，F(xiàn)在的希望是，像S2這樣的恒星不僅將為此提供證據(jù)，還能讓我們檢驗(yàn)最受我們青睞的黑洞理論。

其中之一就是黑洞無毛定理，認(rèn)為黑洞其實(shí)非常簡單，用它的質(zhì)量以及自轉(zhuǎn)的速度就能對(duì)其進(jìn)行充分描述。有理論物理學(xué)家認(rèn)為，通過研究銀河系中心超大質(zhì)量黑洞附近恒星的軌道，就可以檢驗(yàn)這個(gè)定理，進(jìn)而驗(yàn)證廣義相對(duì)論。一個(gè)方法是觀測。愛因斯坦的理論預(yù)言，一顆圍繞銀河系中心公轉(zhuǎn)的恒星，其軌道上最靠近銀河系中心的那一點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間逐漸變化。如果無毛定理正確，那么這個(gè)進(jìn)動(dòng)的速率只取決于黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度，而和其他的無關(guān)。如果能追蹤兩顆恒星的軌道就更妙了。這樣你就可以利用這兩顆恒星的軌道關(guān)系來消除黑洞的質(zhì)量，由此進(jìn)動(dòng)將只依賴黑洞的自轉(zhuǎn)。如果事實(shí)證明進(jìn)動(dòng)依賴更復(fù)雜的東西，那么無毛定理就將被證明是錯(cuò)誤的。如果真是這樣的話，那么廣義相對(duì)論也將被證明是錯(cuò)誤的。因此，其科學(xué)回報(bào)是很大的。

另一種檢驗(yàn)相對(duì)論的方法是使用脈沖星。這些超新星爆發(fā)遺留下的超高密度天體會(huì)以極高的速度自轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈，其猶如燈塔的射電波束就會(huì)掃過天空。正是由于其極強(qiáng)的規(guī)律性，它們成了宇宙中極其精準(zhǔn)的時(shí)鐘。如果銀河系中心存在脈沖星，那么我們也許能夠檢驗(yàn)另一個(gè)相對(duì)論效應(yīng)——引力時(shí)間膨脹，即在大質(zhì)量天體周圍的彎曲時(shí)空中時(shí)間流逝得較慢。只要探測到這個(gè)效應(yīng)，我們就有了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞存在的證據(jù)。

新的目標(biāo)

不幸的是，脈沖星極為暗弱，這使它們難以在多塵的銀河系中心被發(fā)現(xiàn)。但天文學(xué)家正嘗試探測銀河系中所有的脈沖星，很有希望在銀河系中心找到它們。

目前，廣義相對(duì)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(nèi)的唯一恒星。要想真正探測這個(gè)超大質(zhì)量黑洞周圍的時(shí)空，我們還需要觀測更多靠近銀河系中心的恒星。

為此，天文學(xué)家正在升級(jí)由設(shè)在夏威夷的兩架10米凱克望遠(yuǎn)鏡組成的紅外干涉儀。與此同時(shí)，他們還在建造一臺(tái)儀器，它能夠綜合歐洲南方天文臺(tái)的4架甚大望遠(yuǎn)鏡收集的近紅外輻射數(shù)據(jù)，進(jìn)而以前所未有的分辨率觀測那些暗弱的天體。他們希望能由此觀測到運(yùn)行在幾倍于超大質(zhì)量黑洞視界直徑范圍內(nèi)的恒星。

數(shù)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(gè)區(qū)域。