当时的困境
1969 年,林登-贝尔提出,许多星系的中心都躲着一个熄了火的类星体——一个百万到十亿倍太阳质量的黑洞。1971 年他与里斯把这个推断落到自家门口:银河系中心也该有一个,并且列出了该去看什么。
三年后,1974 年 2 月 13 日与 15 日,巴利克与布朗用绿岸天文台相距 35 公里的射电干涉仪,在人马座 A 区找到一个小于一角秒的强射电源。1982 年布朗给它起名 Sgr A*(人马座 A*)。星号借自他博士论文的原子物理:那里 He* 表示处于激发态的氦原子,而他把这个源看成周围电离气体的「激发源」。
可一个亮点不等于一个黑洞。要说那里有几百万个太阳的质量,就得把它称出来;称一个看不见的东西,只能看它周围的东西怎么动。伯克利汤斯的小组从 1970 年代后期起用红外光谱测中心电离气体的速度,推出几百万倍太阳质量集中在中心。但气体会被激波、星风、磁场推搡,速度未必只反映引力,许多人不服。1980 年,刚拿到博士学位几年的根策尔来到伯克利,加入了汤斯的小组。
恒星不受这些干扰,只听引力的。难处在于看清它们:
- 尘埃。银河系盘面上的尘埃把可见光挡得每十亿个光子透不过一个;换到 2.2 微米的近红外,衰减只剩十倍左右。所以只能用红外看。
- 大气。湍流不到一秒就把星像抹成一团,而中心一角秒见方里挤着好几颗星。10 米望远镜在这个波段的衍射极限约 0.05 角秒,在两万多光年外的银心只对应 2.5 光日——前提是能把大气的抖动去掉。
洞见时刻
办法是四百年前的:开普勒第三定律。周期的平方与半长轴的立方之比,只取决于中心天体的质量。以年和天文单位为单位,绕太阳时这个比值恰好是 1,于是换一个中心天体,比值就是它有几个太阳重:
只要有一颗星在人马座 A* 身边跑完一整圈,就能直接称出中心的质量,不用对星团分布做任何假设。难的是看清、盯住、等下去。
两支队伍干了同一件事。根策尔 1986 年回德国出任马普地外物理研究所所长,1991—1992 年起在智利拉西拉欧南台的 3.5 米新技术望远镜上做散斑成像:每帧只曝光十分之一秒多,把大气冻住,再把成千上万帧按亮星对齐叠加,逼到衍射极限。1995 年,盖兹在加州大学洛杉矶分校带队,在夏威夷的 10 米凯克望远镜上开始了同样的计划。
1996 年埃卡特与根策尔、1998 年盖兹小组分别发表:离人马座 A* 越近,恒星跑得越快,速度按 增长——正是行星绕太阳的规律,说明质量集中在一点,约 260 万倍太阳质量,最快的星每秒 1400 公里。盖兹小组据此给出中心密度至少每立方秒差距 个太阳质量,没有哪种现实的星团能这样密。两组数字对得很好。
这还只是统计。2000 年盖兹小组测到了三颗星在轨道上的加速度,其中一颗周期可能只有十五年。接着是自适应光学:一面变形镜对着亮星或钠激光打出的「人造星」实时抵消大气扰动,曝光可以拉长,还能给单颗星拍光谱、测它朝我们来去的速度。2002 年根策尔组转到欧南台的 8.2 米甚大望远镜。
主角是一颗叫 S2 的星(盖兹组叫它 S0-2)。2002 年春天它掠过近心点,贴着人马座 A* 急转了个弯。同年 10 月,舍德尔、根策尔等在《自然》上发表了这条轨道:周期 15.2 年,近心点只有 17 光时。2003 年盖兹小组第一次测到 S0-2 的谱线,视向速度每秒 −510 公里;按 8 千秒差距的距离算,中心质量约 410 万倍太阳质量。谱线还带来一个谜:这是一颗约十五倍太阳质量、不到一千万岁的年轻热星,按理不该在潮汐这么强的地方出生。
用今天的数字走一遍。S2 轨道的半长轴在天上张 0.125 角秒;按秒差距的定义,角秒乘以秒差距就是天文单位,银心距离取 8127 秒差距,半长轴约 1020 天文单位;周期 16.05 年:
这也说明了两组为何一直在较劲测距离:只看天上的角度,算出的质量随距离的立方变化,距离差 5%,质量就差 15%。光谱给出每秒多少公里的真实速度,和每年多少角秒的视运动一比,距离就几何地出来了。两组 2008、2009 年各自给出:盖兹组 8.0 千秒差距、410 万倍太阳质量;根策尔组 8.33 千秒差距、431 万倍,差别几乎全来自距离。
S2 的偏心率 0.88,近心点约 120 天文单位,约为施瓦西半径的 1400 倍,过近心时每秒 7650 公里。四百万个太阳装在这个范围里,平均密度至少每立方秒差距 个太阳质量;任何由恒星或其残骸组成的星团在这种密度下都活不长。质量中心与射电源人马座 A* 的位置重合到几毫角秒,而人马座 A* 本身小于一个天文单位。剩下最稳妥的解释只有一个:超大质量黑洞。
涟漪效应
第一次在超大质量黑洞旁边检验广义相对论。 2018 年 5 月 S2 再过近心点,两组都守着。根策尔组已把甚大望远镜的四台 8 米镜用干涉仪 GRAVITY 合成一台,测位置的精度比当年的散斑相机高约一百倍。他们测到星光被拉长了约 对应的红移——引力红移加上相对论横向多普勒效应——拟合参数 , 是广义相对论, 是牛顿。盖兹组 2019 年用凯克的数据独立得到 ,以 5σ 排除牛顿。
2020 年,GRAVITY 又测到 S2 轨道的施瓦西进动:椭圆每转一圈,自身往前转约 12 角分,与广义相对论的预言
相符(拟合参数 )。这和解释水星近日点每世纪 43 角秒的是同一个公式,只是这里每一圈的进动就比水星大约七千倍。
银心的距离成了几何测量。 靠 S2 的轨道,太阳到银河系中心的距离误差降到百分之一以内,成了银河系尺度的一把直尺。
近到视界边上。 GRAVITY 还看到人马座 A* 的红外耀斑绕着中心转,离中心只有三到五个施瓦西半径、速度约三成光速,刚好在最内稳定圆轨道之外。2022 年 5 月,事件视界望远镜公布了人马座 A* 的照片:一个直径约 52 微角秒的亮环,与恒星轨道称出的四百万倍太阳质量的克尔黑洞相符。
观测手段本身。 银心是最拥挤、又最需要几十年稳定精度的视场,散斑、自适应光学、激光导星与积分视场光谱都在这里被逼到极限;GRAVITY 这样的光学干涉,把地面望远镜的定位精度推到了几十微角秒。
2020 年诺贝尔物理学奖一半授予根策尔与盖兹,「因为在银河系中心发现了一个超大质量致密天体」;另一半授予证明黑洞形成是广义相对论坚实预言的彭罗斯。
如果没有它
在此之前,星系中心的超大质量黑洞是一套「解释得通」的推论:类星体的能量需要它,哈勃望远镜看到 M87 中心的气体盘转得飞快,NGC 4258 的水脉泽排出了开普勒转动曲线——但它们要么排除不了一个很密的暗星团,要么只是一圈离中心还很远的气体。
银河系中心是唯一一处能一颗一颗追踪恒星完整轨道的地方。没有这三十年的坚持,超大质量黑洞会一直停在「最可能的解释」上。有了它,这件事有了质量、有了距离、有了误差棒;两个互不服气的小组用不同的望远镜得出同一个答案;而且同一颗星顺便替广义相对论做了两次检验。
超大质量黑洞,从推测变成了测量。