黑洞史話08
上篇文章我們說到，天鵝座 X-1 被正式確認爲是一個恆星死亡後留下的黑洞，這是一個載入天文學史冊的重大發現。天文學家們的目光不約而同地投向了我們銀河系的中心，因爲，那裏很可能也隱藏着一個質量遠遠超過天鵝座 X-1 的黑洞。今天這篇文章，我要給你講述銀河系中心黑洞的故事。

古怪“木馬”捕獲天外之音

關於銀河系中心黑洞的故事，我們要從1931年，美國新澤西州的貝爾電話實驗室開始講起。

這一年，年輕的卡爾·央斯基（Karl Jansky）感到有些沮喪。這位無線電工程師，被老闆指派了一個非常枯燥乏味的任務，就是找出那些干擾跨大西洋無線電通話的神祕靜電噪聲的來源。在那個年代，無線電通話還是一項昂貴而尖端的技術，任何一點“嘶嘶”的雜音，都可能讓一筆重要的越洋生意泡湯。

卡爾·央斯基（Karl Jansky）

爲了完成這個任務，央斯基建造了一個堪稱怪異的龐然大物。他用銅管和木材，搭建了一個直徑約 30 米的巨大天線陣。整個裝置被安裝在四個福特T型車的輪子上，可以沿着一個圓形的軌道緩慢旋轉，像一架笨拙的、正在追逐自己尾巴的巨型蜻蜓。央斯基給它起了個綽號，叫“旋轉木馬”。

卡爾·央斯基建造的旋轉天線

就這樣，日復一日，月復一月，央斯基耐心地駕駛着他的“旋轉木馬”，像一位無線電世界的“氣象員”，仔細地記錄着來自天空各個方向的噪聲信號，以此來尋找規律。他很快就識別出了兩種主要的噪聲源：一種來自近處的雷暴，另一種來自遠處的雷暴。這兩種噪聲都很好理解，符合預期。

但問題是，還有第三種噪聲，讓央斯基無比鬱悶。

關鍵的 4 分鐘：噪聲背後的天文密碼

這種噪聲非常微弱，像一陣持續不斷的、溫柔的嘶嘶聲。它既不像雷暴那樣狂躁，也沒有明確的來源方向。起初，央斯基以爲這只是接收器自身的故障。但經過反覆檢查，他發現這種噪聲似乎真的來自天上。

更奇怪的是，這種噪聲的強度，每天都會有規律地達到一個峯值，然後又慢慢減弱。一開始，央斯基以爲這和太陽有關，也許是太陽活動產生的某種未知干擾。但隨着他記錄的時間越來越長，一個讓他倍感驚訝的現象出現了：那個噪聲峯值出現的時間，每天都會比前一天提前大約 4 分鐘。

4分鐘，這個數字，對於一個普通人來說，可能毫不起眼。但對於任何一個對天文學稍有了解的人來說，這個數字都像一聲驚雷。

我來解釋一下。我們人人都知道，一天是 24 小時。如果我問你，爲什麼一天是 24 小時，我估計你想也不想就會脫口而出：因爲地球自轉一圈需要 24 小時啊。嘿嘿，其實，這是錯的，地球自轉一圈的真正用時是約 23 小時 56 分鐘。

你可能會大喫一驚，啊，怎麼比 24 小時少了 4 分鐘，那爲啥一天是 24 小時呢？

對於古人來說，按照太陽的東昇西落來定義一天的時間是最自然最樸素的做法。但太陽東昇西落一個週期就等於地球自轉一圈的週期嗎？你仔細想想，是不是？

答案是：不是。這是因爲，我們的地球，在自轉的同時，還在繞着太陽公轉。現在我需要你腦子中建立一個地球和太陽的模型，想象一下地球自轉的同時繞着太陽公轉。在地球上的某一點，每次看到太陽昇起的間隔時間並不是剛好地球自轉一整圈的時間，而是要晚 4 分鐘，因爲相對於太陽來說，地球每轉一圈，相對於太陽的位置都會發生變化。

所以，我們日常使用的、以太陽爲參照物的時間，叫做“太陽日”，太陽日的一天是 24 小時。而以遙遠的、幾乎靜止的恆星爲參照物的時間，叫做“恆星日”。一個恆星日，則是 23 小時 56 分鐘。恆星日纔是真正地球自轉一圈需要的時間。

央斯基的噪聲源，每天提前 4 分鐘出現，這就意味着，它的源頭，不是太陽，也不是太陽系裏的任何東西。它來自一個極其遙遠的、在星空中位置幾乎固定的地方。

經過幾個月的持續觀測和計算，央斯基最終將這個神祕的射電源，鎖定在了人馬座的方向。而那裏，正是我們銀河系的中心所在。

穿越星際迷霧：捕捉黑洞的蹤跡

1933 年，卡爾·央斯基發表了他的發現。他謙虛地推測，這種無線電波，可能來自於銀河系中心區域的恆星，或者是恆星之間的熾熱氣體。但他並不知道，他那架由福特車輪和木頭搭成的簡陋天線，無意中捕捉到的，是來自銀河系“心臟”的心跳聲。也是央斯基開啓了一扇全新的、觀察宇宙的窗戶——射電天文學，他是人類歷史上第一個正式的射電天文學家。

然而，在那個光學天文學家們還在爲仙女座星系到地球的距離而爭論不休的年代，央斯基的發現並沒有引起太大的波瀾。人們只是覺得這很有趣，但並沒有意識到，那陣微弱的“嘶嘶”聲背後，隱藏着一個足以吞噬一切的宇宙巨獸。

要理解爲什麼尋找銀河系中心的黑洞如此困難，我們得先了解一下我們自己在銀河系中的位置。

我們的太陽系，位於銀河系一條被稱爲“獵戶臂”的旋臂的內側邊緣，距離銀河系中心大約 2.6 萬光年。這個位置，打個比方，就像是我們住在一個巨大城市的郊區。而我們想要看清的，是遠在 2.6 萬光年之外的、市中心最核心地帶發生的事情。這本身就已經非常困難了。但更糟糕的是，從我們所在的郊區，到那個遙遠的市中心之間，並非一覽無餘。而像是充滿了濃密的“霧霾”，就是由氣體和塵埃組成的、厚厚的星際介質。

銀河系示意圖，圖源：NASA

這些星際介質，對於可見光來說，是一道幾乎無法逾越的屏障。它們會吸收和散射可見光，使得銀河系中心在我們看來，是一片黑暗。我們用最強大的光學望遠鏡，也無法直接看穿這層厚厚的“宇宙霧霾”，看到銀河系中心的真實面貌。這就好比，在一個大霧天，我站在家裏的陽臺上，無論我的望遠鏡多好，也看不清陸家嘴的東方明珠塔。

但是，並非所有的“光”都害怕這層霧霾。波長比可見光更長的無線電波和紅外線，就有更強的穿透能力，可以相對輕鬆地穿過這些星際介質，把銀河系中心的信息傳遞給我們。

所以，對銀河系中心黑洞的探索，從一開始，就是一場屬於“特殊光線”的偵探故事。而卡爾·央斯基，就是那個無意中聽到第一聲“線索”的偵探。

科學對決：二十年的追蹤與證明

央斯基的發現，雖然在當時沒有引起轟動，但它爲後來的天文學家們指明瞭方向。二戰後，隨着雷達技術的發展，射電天文學迎來了爆發式的增長。天文學家們建造了越來越大、越來越靈敏的射電望遠鏡，開始對那個來自人馬座方向的神祕信號，進行更深入的探索。

1974 年，美國國家射電天文臺的布魯斯·巴利克（Bruce Balick）和羅伯特·布朗（Robert Brown），利用更先進的干涉儀技術，極大地提高了射電望遠鏡的分辨率。他們終於將那個神祕的射電源，鎖定在了一個極其微小的天區內。

布魯斯·巴利克（Bruce Balick）和羅伯特·布朗（Robert Brown）

他們發現，這個射電源的核心，異常明亮且緻密。他們給這個射電源起了一個編號，叫做“人馬座 A*”，就是你在鍵盤上用 shift+8 敲出來的那個星號（*）。你可能會奇怪，爲啥要加上這麼一個字符。這是因爲，在物理學中，星號代表“激發態”的意思。科學家們這麼命名就是暗示了這個天體的極端與不凡。

圖源：Event Horizon Telescope，EHT

但是，要證明它是一個黑洞，現有的證據還遠遠不夠，因爲一個明亮的射電源，並不能直接證明它就是一個黑洞。它也可能是一個年輕的超新星遺蹟，或者一個恆星形成區，再或者其他什麼奇特的天體。

要證明銀河系的中心趴着一隻宇宙怪獸，還需要特別紮實的證據。什麼纔是黑洞最好的證據？答案是：超級巨大的質量。所以，科學家們需要找到方法測量出銀心這個怪異天體的質量。

科學的通用方法是觀察、思考、假設、驗證。經過幾十年的細心觀察，科學家們開始懷疑銀心有一個超級巨大的黑洞。接下來，科學家們要做的是提出可以被證實的猜想，然後去驗證這個猜想。

這個猜想是這樣的，如果人馬座 A* 真的是一個質量巨大的黑洞，那麼在它的周圍，必然會有一些恆星，像行星圍繞太陽一樣，在圍繞着它高速旋轉。只要我們能夠精確地追蹤這些恆星的運動軌跡，我們就能利用天體物理學，把這個看不見的“宇宙大胃王”的質量，給計算出來！

這個想法，說起來簡單，但做起來，卻面臨着兩個幾乎不可能完成的挑戰。

第一個挑戰，是觀測波段。

正如我們前面所說，銀河系中心充滿了濃厚的星際塵埃，可見光根本無法穿透。而那些圍繞在中心黑洞周圍的恆星，它們發出的光，同樣是可見光。所以，我們必須藉助能夠穿透塵埃的紅外線來進行觀測。

在 20 世紀 80 年代，紅外探測技術還處於起步階段，靈敏度和分辨率都非常低。天文學家們雖然能在紅外波段模模糊糊地看到銀河系中心擠滿了無數的恆星，但想要從中分辨出單獨的一顆，並且年復一年地精確追蹤它的位置變化，這簡直比登天還難。

第二個挑戰，是地球大氣的干擾。

地球的大氣層，雖然保護了我們，但對於天文觀測來說，卻是一個巨大的麻煩。大氣的湍流，會讓來自遙遠星辰的光線發生抖動和模糊，這就是我們晚上看星星時，感覺星星在“眨眼睛”的原因。

這種抖動，對於觀測廣闊的天區影響不大，但對於我們想要精確測量銀河系中心那幾顆恆星的微小位移來說，卻是致命的。它就像是你在用一架手持的、不斷晃動的相機，去拍攝遠處一隻螞蟻的爬行軌跡一樣，你得到的，只會是一片模糊的影像。

面對這兩個巨大的挑戰，全世界的天文學家們並沒有放棄。他們兵分兩路，開啓了一場長達數十年的、史詩般的觀測競賽。

一路，是在美國，由加州大學洛杉磯分校的女天文學家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）領導的團隊。她們使用的是夏威夷莫納克亞山頂上、當時全世界最大的光學/紅外望遠鏡——凱克望遠鏡。

凱克望遠鏡。圖源：UCLA Galactic Center Group，鏈接：http://www.lauriehatch.com

另一路，是在德國，由馬克斯·普朗克地外物理研究所的萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）領導的團隊。他們使用的是位於智利阿卡塔沙漠的歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡（VLT）。

甚大望遠鏡（VLT），圖源：ESO

這兩支團隊，如同兩位棋逢對手的絕頂高手，在接下來的二十多年裏，展開了一場激動人心的“巔峯對決”。

爲了解決大氣湍流的干擾問題，他們都發展了一項革命性的技術，叫做“自適應光學”。

這項技術的原理，說起來非常巧妙。它首先用一束激光，在望遠鏡的上空，人爲地製造出一顆“假星星”。然後，一個高速的計算機系統會實時地監測這顆“假星星”因爲大氣湍流而產生的抖動和變形。接着，計算機會根據這些變形數據，以每秒數千次的頻率，去精確地調整望遠鏡主鏡後面的一塊可以變形的薄鏡片，讓它產生一個與大氣湍流效應正好相反的形變。