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赛先生天文| 黑洞的奇妙世界(2):银河中心的超级怪兽


(图片作者:Ethan Tweedie)

我们的银河系中心的超大质量黑洞是如何被发现的?科学家将如何探寻它隐秘的视界?


武剑锋 (密歇根大学天文系)



1

银河系:

我们的家园

当你点开“赛先生天文”专栏的一刻,呈现眼前的是一幅璀璨星空的壮丽画卷。不错,这就是那条王母娘娘用来拆散牛郎织女的银河!在西方它被称为“牛奶之路”(the Milky Way)。而英文中“星系”(galaxy)这个词本身即来自于希腊语中的“牛奶”(γ?λα,即gála)。那么这条神秘的光带究竟埋藏着哪些秘密呢?在人们望空兴叹的几千年后,伽利略用亲手打造的望远镜第一次将这条乳白色的光带分解成了一颗颗的恒星。美丽的银河系正是由大约两千亿颗恒星所组成的一个庞大系统,而带给我们光和热的太阳,则是其中普通到不能再普通的一颗恒星。 

首先让我们来简单看一看银河系:图1和图2分别从侧面和正面视角描绘了银河系的样子。不难发现,银河系的中央是一个鼓包形的结构,称为“核球”,是恒星和其他天体最密集的地方。银河系的主体是一个薄薄的星盘,直径在十万光年以上。绝大部分的恒星都在这个盘上。我们的太阳也不例外。太阳距离银河系中心大约两万八千光年。从正面结构图可以看出,银河系是一个很典型的漩涡星系,有几条主要的旋臂。而太阳在其中一条并不是那么主要的旋臂上,称为猎户旋臂(Orion Spur)。所有的旋臂围绕银河系中心旋转。那么中心核球里面包裹的是什么呢?


图1  银河系侧面视角结构图。银河系由银盘(disk)、核球(bulge)和暗晕(halo)组成,直径10万光年左右。太阳在银盘上,距离银河系中心约两万八千光年。银河系暗晕中还有很多球状星团(globular clusters)。(图片来源:http://www.proprofs.com/flashcards/upload/a6412307.jpg)


图2  银河系正面视角结构图。几条最主要旋臂已经标出。太阳位于猎户旋臂(Orion Spur)。其位置在图的中下方。(Credit:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt [SSC-Caltech])

2

银河系中心黑洞的发现:

十年磨一剑

早在1918年,沙普利(Harlow Shapley)根据银河系中诸多球状星团的运动轨迹推测银河系的中心大概是在人马座方向。但是大量的尘埃和分子云阻挡了来自银心的可见光辐射(从专栏题图中也可以看到这一点),人们无法用当时仅有的光学观测手段来研究银心,而需要通过基本不受尘埃阻挡的射电(就是无线电波)、微波、红外、硬X射线或者伽马射线等波段来进行。这些波段里最先发展起来的是射电。1929年,射电天文学之父央斯基(Karl Jansky)收到了来自地球以外的射电信号。经过几年的分析,他在1933年发表了自己的研究,指出这些射电信号可能来自于人马座方向的银心。后来经过更多人的努力,射电源的精确方位被确定,是在人马座和天蝎座边界(见图3),人马座箭头所指的方向,蝎子摆尾的上方(即北方)。1974年,Bruce Balick和Robert Brown在这个位置发现了一个很强而又很致密的射电源。他们把它命名为人马座A(Sgr A)。这个“*”是借用了原子物理中对原子激发态(excited state)的一个表示,因为他们觉得这个源非常令人兴奋(exciting)。


图3  银心(GC)附近的星座。银心位于人马座(Sagittarius)和天蝎座(Scorpius)之间,蛇夫座(Ophiuchus)的南方。图中的圆弧是黄道带,标明了太阳在天空中的运动轨迹。

结合当时对其他射电源的认识,人们很快意识到SgrA这个射电源的发现表明银河系的中心很可能是一个超大质量黑洞。如同上篇所讲,确定它是一个黑洞并且测量它的质量仍然需要动力学手段,也就是研究银心周围恒星的运动轨迹。然而要突破尘埃的遮挡,并且在银心附近这么密集的地方分辨出单颗恒星是一件难度很高的事情,一直到上世纪90年代才最终实现。而这得益于三个条件:8-10米口径望远镜的建成,红外观测技术的成熟和自适应光学技术的发展。这项工作主要由两个研究组各自独立完成。一个是由德国马普地外物理研究所的Reinhard Genzel教授领导的小组,利用欧洲南方天文台在智利的甚大望远镜(Very Large Telescopes)来完成;另一个则是由美国加州大学洛杉矶分校的Andrea Ghez教授领导的小组,利用夏威夷的Keck望远镜来完成。这两个组从90年代中期开始,经过了近十年的不间断的观测,终于画出了离银心最近的恒星的轨道,从而推测出在银河系中心有一个致密天体,其质量达到百万倍太阳质量级别[1][2]。他们充分论证了这么巨大的质量不可能来自很多较小质量的天体组成的一个类似星团的东西,因为在如此狭小的空间内,即便这样的星团也会迅速并合成一个大的黑洞。因此,他们的工作为银河系中心的黑洞提供了强有力的证据,两位教授也因此一举奠定了在天文界的地位。真可谓十年磨一剑,而这把剑锋利无比!

现在这项工作仍在不间断的进行。更多的恒星轨道被准确地测定出来,从而进一步提高了对银心黑洞质量测量的精度。图4和图5展示了围绕银心的十来颗恒星的运动轨迹,来自于Ghez研究组二十年的观测数据。现在对于银心黑洞质量最精确的测量结果是4.31+/-0.38百万倍太阳质量[3]


图4  银河系中心的八颗亮星的运动轨道。假设亮星的运动符合开普勒定律,对亮星轨道做拟合可以得出中心天体的质量。此图由Andrea Ghez和她在UCLA的研究组用20年的Keck望远镜数据绘制。(Credit:UCLA Galactic Center Group - W.M. Keck Observatory Laser Team)


图5  银河系中心的十颗亮星的运动轨迹动画。此动画由Andrea Ghez和她在UCLA的研究组利用Keck望远镜数据绘制。(Credit:UCLA Galactic Center Group - W.M. Keck Observatory Laser Team)

我们已经知道了银河系中心天体的巨大质量,但这只是问题的一个方面。而另一个方面就是它的尺度究竟小到什么程度。上面所述的这些恒星轨道可以给出一个尺度的上限,就是恒星在近黑洞点(periapsis,相当于地球的近日点)与黑洞的距离。这些恒星给出的最小值是6.25个光小时,也就是67亿公里,差不多就是现在太阳系的尺度。但是这仍然比黑洞的史瓦西半径大很多,四百万倍太阳质量的史瓦西半径只有1200万公里。对银心天体尺度的更好的约束来自于最近几年的脉泽观测。脉泽,英文是maser,跟“激光”的英文laser很相似。的确,脉泽就是激光在微波波段的形式。实际上脉泽是先于激光被发明的。在宇宙中有很多天然的脉泽辐射源。由于在微波波段利用干涉技术可以获得比可见光波段好很多的角分辨率,对银心的脉泽观测将中心的天体的尺度限制在了只有四倍史瓦西半径,相当于水星在近日点到太阳的距离[4]。在这么小的尺度上具有四百万倍太阳质量的天体,如果还不是黑洞,那就只能发明一种比黑洞更为奇特的理论来解释了。

3

黑洞研究的圣杯:

视界的观测发现

结合这个系列的上一篇文章,我们已经讲述了恒星级黑洞和超大质量黑洞的存在证据。张双南教授在他的文章[5]中总结了证认黑洞的间接证据:该天体与其他已知天体的性质不一致,黑洞模型能够解释该天体的性质并且给出自洽和合理的物理参数,没有能够否定黑洞模型的反证,以及没有更成功的替代理论。读者可以感觉到,无论恒星级黑洞还是超大质量黑洞的证认基本上都遵循这个套路。大家可能还是对间接证据感到不满意。如果我们能够直接“看”到黑洞岂不更好?没错,科学家也是一样不会满足于间接证据。当然,根据定义,黑洞是黑的,不发光,你看不到黑洞。但是在最接近黑洞视界的地方,我们能够看到黑洞的“影子”还有它的强大引力造成的时空扭曲(见图6)。目前有一个由麻省理工学院领头的黑洞视界望远镜(Event Horizon Telescope)项目,旨在利用遍布全世界的射电望远镜组成最高角分辨率的干涉阵列,从而对黑洞视界成像。当然黑洞越大越容易观测,但是这个黑洞又不能太远,于是最理想的目标就是我们银河系中心的那个“超级怪兽”。另外一个理想目标是仙女座星系M31中心的黑洞。按照黑洞视界望远镜的时间表,如果一切顺利,在明年(2017年)就会产生第一批图像。届时我们将有望一睹黑洞的“真容”!



图6: 银河系中心黑洞的模拟图像。黑洞周围发光的部分是吸积盘在扭曲的时空下的图像。这个图像与《星际穿越》中的黑洞卡冈图雅很相似。由于多普勒增强效应,运动方向朝向我们的吸积盘部分相对其他部分明亮很多。(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole。根据参考文献[6]中的模型绘制)。

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