天文探索：他們穿透迷霧，揭開了銀河系中心最黑暗的秘密

錢德拉X射線望遠鏡拍攝的銀河系中心超大質(zhì)量黑洞（圖片來源：NASA/UMass/D.Wang et al.）
我們無法直接觀測到黑洞，但通過其巨大的引力，我們可以間接感知這種神秘天體的存在。
根策爾和蓋茲就領(lǐng)導(dǎo)獨立的研究團隊，分別對銀河系中心進行了探索。直徑10萬光年的銀河系如同一個近乎平坦的圓盤，包含了數(shù)千億顆恒星以及大量星際間的氣體、塵埃。當(dāng)我們從地球上向銀河系中心看去，這些氣體、塵埃阻擋了絕大多數(shù)的可見光。因此，天文學(xué)家通過紅外及射電望遠鏡，觀測到了銀河系中心恒星的最早圖像。
利用這些恒星的軌道作為指引，根策爾和蓋茲找到了銀河系中心有超大質(zhì)量天體存在的確鑿證據(jù)。而超大質(zhì)量黑洞，是其中一種可能的解釋。
指向銀河系中心
在半個多世紀(jì)前，天文學(xué)家就猜測，銀河系中心可能有黑洞存在。在1962年發(fā)現(xiàn)類星體之后，天文學(xué)家認為，在大多數(shù)大型星系內(nèi)部，都應(yīng)該有超大質(zhì)量黑洞，這自然也包括我們所在的銀河系。但在當(dāng)時，沒有人能夠解釋，這些星系與其中那些少則數(shù)百萬，多則數(shù)十億倍太陽質(zhì)量的黑洞，是如何形成的。

100年前，美國天文學(xué)家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）首次推算出了銀河系中心的位置，位于人馬座方向。隨后的天文學(xué)觀測在那片區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一處強烈的射電源，并將其命名為人馬座A*。在上世紀(jì)60年代末，人們已經(jīng)知道，人馬座A*占據(jù)了銀河系的中心位置，星系中的所有恒星都圍繞其運行。
太陽系與人馬座A*在銀河系中的位置
直到20世紀(jì)90年代，隨著天文望遠鏡及其他設(shè)備的發(fā)展，天文學(xué)家得以對人馬座A*進行更系統(tǒng)的研究。根策爾和蓋茲分別啟動研究項目，試圖透過塵埃和氣體，看見銀河系中心的圖像。
在天文學(xué)中，“越大越好”是絕對的真理。只有最大的天文望遠鏡，才能捕捉到遙遠恒星的畫面。德國的根策爾團隊最初使用的是位于智利La Silla天文臺的新技術(shù)望遠鏡（New Technology Telescope，NTT），隨后，他們轉(zhuǎn)而使用了同樣位于智利，性能更強的甚大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）。VLT由4臺大型望遠鏡組成，每一臺的體型都相當(dāng)于NTT的兩倍。VLT還擁有全世界最大的單一鏡面，每一面的直徑都超過8米。
而在美國，蓋茲帶領(lǐng)的研究團隊使用位于夏威夷冒納凱阿火山的凱克天文臺（Keck Observatory），其鏡面直徑接近10米，同樣位于全球前列。這個鏡面形狀如同蜂巢，由36塊六邊形的鏡面部件組成，它們可以獨立移動方向，從而更好地聚焦光線。
恒星指路
我們住在一片將近100千米深的大氣“海洋”之下，受大氣層的影響，不論望遠鏡有多大，它們看到的細節(jié)總會受到限制。如果大氣層中某些區(qū)域的溫度與周圍不一致，它們就會像透鏡一樣，扭曲通往望遠鏡的光線。這就解釋了為什么星星會“眨眼”，為什么我們對星星的成像如此模糊。
自適應(yīng)光學(xué)（adaptive optics）的出現(xiàn)，對改良觀測結(jié)果極其重要。如今，望遠鏡有了一層額外的薄鏡，可以自動對空氣中的不穩(wěn)定因素進行補償，從而矯正扭曲的圖像。

在將近30年中，根策爾與蓋茲一直追隨著銀河系中央繁星中，他們各自感興趣的那些恒星。他們逐漸發(fā)展、改善觀測技術(shù)，搭配上越來越敏感的電子光線傳感器和自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備，使得圖像的分辨率提升了一千倍有余?，F(xiàn)今，這些設(shè)備已能更精確地判斷恒星的位置，夜復(fù)一夜地跟蹤它們的軌跡。
研究人員在眾多恒星中選出了三十多顆最亮的。這些恒星在距離銀河系中央1/12光年的范圍內(nèi)高速移動，如同蜂群般翩翩起舞。與之相比，在這個圓周之外的恒星則更守規(guī)矩，循著它們各自的橢圓形軌道移動。
其中一顆叫“S2”（或“S-O2”）的恒星，用不到 16 年的時間圍繞銀河系中央的軌道完成了一次周轉(zhuǎn)。在這樣一個極短的時長內(nèi)，天文學(xué)家得以畫出完整的完整的軌道地圖。我們可以把這個環(huán)繞時長與太陽的相比：太陽圍繞銀河中心完成一整個環(huán)繞需要 2 億年；在如今這一輪環(huán)繞的開端，恐龍還在我們的地球上漫步。
理論與觀察結(jié)合
兩組觀測結(jié)果十分吻合，研究人員因此得出結(jié)論：在我們的星系中很可能存在著一個約為 400萬個太陽質(zhì)量，近似于太陽系體積的黑洞。
下一步，我們將要對人馬座A*進行直接觀測。就在去年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）天文學(xué)網(wǎng)絡(luò)成功對一個超大質(zhì)量黑洞的周圍進行了成像。在距我們5500萬光年的M87星系中央，坐落著一個由一圈火環(huán)圍繞著的黑洞。
M87星系中央的黑洞規(guī)模驚人，質(zhì)量是人馬座A*的1000倍有余。而近期觀測到的引力波，成因是兩個黑洞的相撞——這兩個黑洞相比起M87星系中央的黑洞要輕得多。與黑洞一樣，引力波也一度也只存在于愛因斯坦的廣義相對論中，而無法直接觀測到。在2015年秋，美國的LIGO探測器才第一次捕捉到它的身影。引力波的發(fā)現(xiàn)摘得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎。
而對于黑洞，看上去天文學(xué)家也在逐漸接近答案。根策爾和蓋茲的開創(chuàng)性工作為其他天文學(xué)家指明了道路，使得他們能夠精確驗證廣義相對論及其最奇特的預(yù)測。這些研究工作也將為新的理論提供線索，揭示隱藏在宇宙中的更多秘密。
翻譯：吳非、羅丁豪
引進來源：諾貝爾獎官網(wǎng)
引進鏈接：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/popular-information/


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