北京時(shí)間今天傍晚，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了英國(guó)理論物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）與德國(guó)天文學(xué)家賴(lài)因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）、美國(guó)天文學(xué)家安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）。
在之前的推送中（戳這里），我們通過(guò)彭羅斯親筆撰寫(xiě)的文章，了解了他在黑洞理論領(lǐng)域的工作。如果說(shuō)彭羅斯的工作為我們認(rèn)識(shí)黑洞提供了理論基礎(chǔ)，那么另外兩位獲獎(jiǎng)?wù)吒郀柡蜕w茲則是直接觀測(cè)到銀河系中央的超大質(zhì)量天體——這很可能是一顆超大質(zhì)量黑洞。下面這篇文章，將帶領(lǐng)大家回顧對(duì)于銀河系中心黑洞的探索旅程。
我們無(wú)法直接觀測(cè)到黑洞，但通過(guò)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(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)，分別對(duì)銀河系中心進(jìn)行了探索。直徑10萬(wàn)光年的銀河系如同一個(gè)近乎平坦的圓盤(pán)，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(jiàn)光。因此，天文學(xué)家通過(guò)紅外及射電望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)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(gè)多世紀(jì)前，天文學(xué)家就猜測(cè)，銀河系中心可能有黑洞存在。在1962年發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體之后，天文學(xué)家認(rèn)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(shí)，沒(méi)有人能夠解釋?zhuān)@些星系與其中那些少則數(shù)百萬(wàn)，多則數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，是如何形成的。
100年前，美國(guó)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(cè)在那片區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一處強(qiáng)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(yùn)行。
太陽(yáng)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(yuǎn)鏡及其他設(shè)備的發(fā)展，天文學(xué)家得以對(duì)人馬座A*進(jìn)行更系統(tǒng)的研究。根策爾和蓋茲分別啟動(dòng)研究項(xiàng)目，試圖透過(guò)塵埃和氣體，看見(jiàn)銀河系中心的圖像。
在天文學(xué)中，“越大越好”是絕對(duì)的真理。只有最大的天文望遠(yuǎn)鏡，才能捕捉到遙遠(yuǎn)恒星的畫(huà)面。德國(guó)的根策爾團(tuán)隊(duì)最初使用的是位于智利La Silla天文臺(tái)的新技術(shù)望遠(yuǎn)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(qiáng)的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope，VLT）。VLT由4臺(tái)大型望遠(yuǎn)鏡組成，每一臺(tái)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(guò)8米。
而在美國(guó)，蓋茲帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)使用位于夏威夷冒納凱阿火山的凱克天文臺(tái)（Keck Observatory），其鏡面直徑接近10米，同樣位于全球前列。這個(gè)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(dú)立移動(dòng)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(yuǎn)鏡有多大，它們看到的細(xì)節(jié)總會(huì)受到限制。如果大氣層中某些區(qū)域的溫度與周?chē)灰恢?，它們就?huì)像透鏡一樣，扭曲通往望遠(yuǎn)鏡的光線。這就解釋了為什么星星會(huì)“眨眼”，為什么我們對(duì)星星的成像如此模糊。
自適應(yīng)光學(xué)（adaptive optics）的出現(xiàn)，對(duì)改良觀測(cè)結(jié)果極其重要。如今，望遠(yuǎn)鏡有了一層額外的薄鏡，可以自動(dòng)對(duì)空氣中的不穩(wěn)定因素進(jìn)行補(bǔ)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(cè)技術(shù)，搭配上越來(lái)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。現(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(dòng)，如同蜂群般翩翩起舞。與之相比，在這個(gè)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(dòng)。
其中一顆叫“S2”（或“S-O2”）的恒星，用不到 16 年的時(shí)間圍繞銀河系中央的軌道完成了一次周轉(zhuǎn)。在這樣一個(gè)極短的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，天文學(xué)家得以畫(huà)出完整的完整的軌道地圖。我們可以把這個(gè)環(huán)繞時(shí)長(zhǎng)與太陽(yáng)的相比：太陽(yáng)圍繞銀河中心完成一整個(gè)環(huán)繞需要 2 億年；在如今這一輪環(huán)繞的開(kāi)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(cè)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(gè)約為 400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，近似于太陽(yáng)系體積的黑洞。
下一步，我們將要對(duì)人馬座A*進(jìn)行直接觀測(cè)。就在去年，事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）天文學(xué)網(wǎng)絡(luò)成功對(duì)一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的周?chē)M(jìn)行了成像。在距我們5500萬(wàn)光年的M87星系中央，坐落著一個(gè)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(cè)到的引力波，成因是兩個(gè)黑洞的相撞——這兩個(gè)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(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，而無(wú)法直接觀測(cè)到。在2015年秋，美國(guó)的LIGO探測(cè)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(jiǎng)。
而對(duì)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(kāi)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(yàn)證廣義相對(duì)論及其最奇特的預(yù)測(cè)。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。
獲獎(jiǎng)?wù)咝畔ⅲ?/span>
賴(lài)因哈德·根策爾，德國(guó)天文學(xué)家。1952年出生于德國(guó)，現(xiàn)年68歲 。1978年于德國(guó)波恩大學(xué)獲得博士學(xué)位。根澤爾目前擔(dān)任德國(guó)馬克斯·普朗克地外物理學(xué)研究所所長(zhǎng)、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授。
安德莉亞·蓋茲，美國(guó)天文學(xué)家。1965 年生于美國(guó)，現(xiàn)年 55 歲。1992 年于美國(guó)加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。蓋茲目前擔(dān)任加州大學(xué)洛杉磯分校的教授。蓋茲是繼瑪麗·居里（1903 年）、瑪麗亞·格佩特-梅耶（1963 年）和唐娜·斯特里克蘭（2018 年）之后，第四位榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性科學(xué)家。
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