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Marcus Chown 文 Shea 编译

银河系的中心要比我们预想的更加黑暗——这并不仅仅因为那里是一个超大质量黑洞的家。

在距离我们超过25,000光年之外有一个近距宇宙中最神秘的地方。它是我们银河系被尘埃所遮蔽的中心,那里挤满了横冲直撞的恒星。在银河系的最中央,天文学家怀疑潜伏着一个质量超过太阳400万倍的巨型黑洞。被称为人马座A*的这个超大质量黑洞因其对时空结构的扭曲正在撕裂恒星,引发一场恒星骚乱。

类似的超大质量黑洞被认为存在于每一个星系的中心。通过观测恒星围绕它的转动,直到最近我们才确认了它的存在。它为我们在最极端环境下检验爱因斯坦的广义相对论提供了理想的场所。

虽然我们银河系的中心可以作为研究其他星系中所发生过程的实验室,但对它的首批观测还是给我们带来了许多意想不到的事情。最近的观测显示,银河系的中心还存在着第二个“洞”——一个只包含一些年轻恒星而没有年老恒星的神秘空白区。

之前对银心的观测发现了几十颗年轻的恒星,它们所发出的明亮蓝色辐射强得足以冲破笼罩它们的尘埃。天文学家认为它们只是更多恒星的冰山一角,大量更年老恒星所发出的微弱光线被年轻恒星的所掩盖了。

然而,当三个天文学家小组独立地把他们手中能够穿透银心周围尘埃的红外望远镜对准那里的时候,这一切都改变了。当他们扫视银河系的时候,他们看到了数千颗年老的恒星。但是,当他们观测非常靠近银心的地方时,恒星的数量便出现了锐减,并且发现了一个直径3光年的区域,其中的恒星极为匮乏。

[图片说明]:钱德拉X射线天文台拍摄的银心区域,人马座A*就位于图中央的白色光斑中。版权:NASA/CXC/UMass/D. Wang等人。

这个“洞”的故事

这是一个极大的意外,因为它违背了我们对于在银心处该发生什么的设想。人马座A*周围的引力场被认为强到足以能束缚住它附近的恒星超过数十亿年。那为什么在银心处却没有较为年老的恒星呢?

最简单而直接的解释是,即使是最新的红外望远镜也还没有灵敏到能检测出这些微弱的光线。但还有一个更令人兴奋的可能性,那就是银心周围其实被许多难以看到的致密天体所占据,例如超新星爆炸后留下的中子星和恒星质量黑洞——它们几乎不发出辐射。如果这种说法是正确的,它表明在银心形成的绝大部分恒星都是能以超新星的形式结束自己生命的大质量恒星。这将使该区域与我们所观测到的所有其他地方都截然不同。

但是,这个解释也存在问题。其中主要的一个是,这些大质量恒星不会独自形成、长大,少量小质量恒星也应该在那里形成。在这些小质量恒星生命的尽头,它们会演化成应该很容易就能被看到的红巨星。那么,为什么我们还没有看到它们呢?一种可能是,恒星质量黑洞吃掉了所有这些红巨星。但这其实很难奏效,因为它所需要的黑洞质量比银心最内部已知存在的100万个太阳质量还要高。

一个更奇特的解释是,在过去的某个时间,银河系与另一个星系发生了并合,外来的超大质量黑洞吞噬了一些银河系的恒星。此外人马座A*本身也可以造成其周围恒星的缺失。任何进入超大质量黑洞周围约5光分(相当于9,000万千米)距离内的恒星都会被撕裂,由此可能会导致恒星的消失。

[图片说明]:对银心附近恒星的观测。实心圆圈为观测到的恒星位置,虚线是由观测结果推算出的轨道。可以看到迄今只有S2完成了绕银心转动一周的运动。版权:Keck/UCLA Galactic Center Group。

盯上这个“洞”

用人马座A*来解释依然存在破绽,于是有人提出一个稍有不同的方案。经计算发现,围绕人马座A*的恒星轨道随着时间会变得越来越长、越来越扁。最终,这些恒星会由于过于靠近中央黑洞而被吞噬。不过,这个理论也有问题。由于恒星在不断形成,为了创建一个无星区,你不但要把恒星送入超大质量黑洞的口中,还要阻止其他恒星进入这一区域。但是,很难想出有什么办法能阻挡恒星进入银心。

因此,尽管已经有了很多的想法,但这个谜依旧。目前的天文观测结果也不足以真正地确定这些解释中哪一个最有可能,或者完全排除掉某一个。现在只能假设,那里有个“洞”,但我们不知晓确切的原因。为了找到答案,我们将不得不更靠近银河系中心的这个怪物。

幸运的是,许多技术正在使天文学家能做到这一点。这些技术同时还可以帮助我们实现一个更深刻的愿望——对爱因斯坦的广义相对论进行检验。广义相对论在行星、恒星和星系附近的影响已经被探测过,每一次它都以优异的成绩通过了测试。至今广义相对论还没有被检验过的地方就是黑洞的极端引力场,那里的空间和时间都遭到了极强的扭曲。通过观测物质究竟是如何落入黑洞的,天文学家希望能判断黑洞是否真的如广义相对论所描绘的那样。

到目前为止最有前景的技术是甚长基线干涉测量(VLBI),它综合了世界各地射电望远镜所接收到的信号来模拟出一个犹如地球一样大的无线。这个虚拟天线可以分辨出天体的微小细节,但即便如此它还没有强大到能识别出这个超大质量黑洞最显著的特征:它的视界。视界是下落的物质一去不复返的地方,它直径约1,500万千米,相当于地球到太阳的距离的十分之一——这在天文上根本微不足道。即使是迄今最好的人马座A*的图像,仍然模糊了3倍。

[图片说明]:根据黑洞无毛定理,用质量、自转和电量即可描述一个黑洞的所有特性。不过在现实宇宙中,黑洞很容易就能通过吸积异性电荷来呈电中性,因此这三个量中就只剩下了质量和自转。版权:NASA。

不过,有一个办法可以提高VLBI的分辨率,那就是观测比现今所用厘米波波长更短的波段。通过在1.3毫米甚至0.87毫米的波长上来观测,这项技术应该最终能够看到视界附近正在发生的事情。

即便如此,事情也不会这么很容易。我们试图观测的射电波是由盘旋着掉入超大质量黑洞的电离气体所发射出的。为了在这个黑洞附近检验广义相对论,我们不得不首先要用计算机来模拟螺旋运动的气体,预测它的射电辐射,并与观测结果相比较。VLBI是一种很有前途的技术,但它不可能给我们提供一个干净的信号。这是它恼人的地方。

其他天文学家则发现了一条更干净地探测人马座A*的途径:观测围绕它公转的单颗恒星。他们已经观测了距离银心100光天范围内20颗极为明亮的恒星的轨道。

在这其中有一颗恒星极为突出,它被称为S2,质量达太阳的20倍。S2是唯一一颗已经被观测到围绕银心公转一周的恒星,完成这一旅程它花了15年的时间。由此,天文学家计算出银河系中央超大质量黑洞的质量是太阳的430万倍,略高于原先的估计。

请不要忘记,直至现在这仍是银河系中心存在一个超大质量黑洞的唯一间接证据。由于它的引力影响着附近恒星的运动,因此我们知道那里有某个大质量天体,而最有可能是一个黑洞。但我们同样也需要直接的证据来确定。现在的希望是,像S2这样的恒星不仅将为此提供证据,而且还能让我们来检验最受我们青睐的黑洞理论。

其中之一就是黑洞无毛定理。它认为黑洞其实非常简单,用它的质量以及自转的速度就足以对其进行充分地描述。有理论物理学家建议,通过研究银心超大质量黑洞附近恒星的轨道,就可以来检验这个定理,进而验证广义相对论。一个方法是观测一颗恒星围绕银心公转许多圈。爱因斯坦的理论预言,这颗恒星轨道中最靠近银心的那一点会随着时间逐渐变化。如果无毛定理正确,那么这个“进动”的速率就只取决于黑洞的质量和自转速度,而和其他的无关。如果能追踪两颗恒星的轨道那就更妙了。这样就你可以使用这两颗恒星的轨道关系来消掉黑洞的质量,由此进动将只依赖于黑洞的自转。如果事实证明进动其实依赖更复杂的东西,那么无毛定理就将被证明是错误的。如果真是这样的话,那么广义相对论也将同样被证明是错误的。因此,其科学回报是很高的。

[图片说明]:欧洲南方天文台4架甚大望远镜组成的干涉仪将综合来自4架望远镜的光线,追踪物质掉入黑洞前的最后一刻。版权:G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO。

另一种检验相对论的方法是使用脉冲星。这些超新星爆炸遗留下的超高密度天体会以极高的速度自转,每转一圈其犹如灯塔一般的射电波束就会扫过天空。这使得它们成为了极其精准的守时工具。如果在银心处存在脉冲星,那么我们也许能够检验另一个相对论效应——引力时间膨胀,即在大质量天体周围的弯曲时空中时间流逝得较慢。探测到这个效应,我们就有了存在一个超大质量黑洞的证据。

新的目标

不幸的是,脉冲星本身极为暗弱,这使它们难以在多尘的银心处被发现。但天文学家正开始尝试探测银河系中所有的脉冲星,很有希望会在银心找到它们。

广义相对论目前还没有受到威胁。到目前为止,S2是唯一一颗轨道在人马座A*附近1光天之内的恒星。要真正探测这个超大质量黑洞周围的时空,我们还需要观测更多靠近银心的恒星。

为此天文学家目前正在升级由夏威夷两架10米凯克望远镜所组成的红外干涉仪。与此同时,他们还正在建造一台仪器,它能够综合来自欧洲南方天文台四架甚大望远镜所收集的近红外辐射,进而以前所未有的分辨率测量这些暗弱的天体。他们希望由此能观测到位于几倍于超大质量黑洞视界直径范围内运动的恒星。这台仪器预计会在2013年投入使用。

数十亿年来在银河系的中央一直隐藏着它最深的秘密。不过,也许要不了几年我们最终就能直击这个超大质量的黑洞。

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8 Responses to “是谁吞噬了银心的恒星?”

  1. Illusiwind说道:

    不是我干的。就算是吃货,也是有节操的。银心的恒星有什么好吃的,去掉头也不好吃。

  2. 王旭说道:

    “这台仪器预计会在2013年投入使用。”这是哪年的文章了?

  3. 中二病晚期说道:

    呃,真心觉得银河好不可思议。。。太多的未知了。。。

  4. xvidukebw说道:

    当然是Buster machine 3号机干的

  5. 伊甸园之蛇说道:

    其实,每个星系,都是一个中心黑洞群的积吸盘。
    快到中心区了,就到了视界。
    过了视界,就是去往平行宇宙的隧道。

  6. Tommy说道:

    类似的超大质量黑洞被认为存在于每一个星系的中心。通过观测恒星围绕它的转动,直到最近我们才确认了它的存在
    确认黑洞存在了?

  7. Sea说道:

    还可以

  8. Lucifer说道:

    什么也有可能,宇宙仍是一个巨大的谜团,等着我们去探索