銀河系中心黑洞照片的背后,有一個困擾了天文學家90年的謎

所謂我們銀河系中心超大質量黑洞的首張「照片」,實際上是一幅射電波影像。形成這張「照片」的射電波,與1932年貝爾實驗室工程師卡爾·央斯基(Karl Jansky)在人類歷史上首次發現的來自宇宙的無線電波,擁有相同的源頭。那一次發現,標志著人類射電天文學的開啟。

人類對銀河系的研究始于伽利略。伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)1610年用自制望遠鏡發現,肉眼看上去如同云霧般的銀河,實際上是由無數恒星組成的。1785年,天文學家威廉·赫謝耳(William Herschel)繪制了最早的銀河系圖。

1918年天文學家哈洛·沙普利(Harlow Shapley)用新技術——造父變星測距法,發現包裹著銀河系的球狀星團暈,有一個位于人馬座方向的中心。這個中心所在的區域被濃厚的塵埃氣體遮掩著,無法通過可見光望遠鏡看到。

1938年,央斯基受雇于貝爾實驗室,試圖探明一系列干擾短波無線電通訊的噪音來源。1932年,他設計的高方向性天線識別出了許多噪音源,但有一個卻是例外——那是一個非常穩定的,發出嘶嘶聲的靜態噪音源。

這個噪音源的位置看上去會隨季節而變化。在天文學家朋友的建議下,央斯基開始查閱天文教科書。1932年12月,央斯基斷定這些奇怪的嘶嘶聲來自太陽系以外。1933年4月,央斯基公布了他的論文。同年5月5日,《紐約時報》頭版刊登了他的發現。

央斯基在他的發現公布后的第10天接受了采訪,他說,他在天空中定位到了這個噪音,「看起來沙普利博士的計算結果得到了確認,它似乎來自銀河系的引力中心。」

電波的發源地后來被叫做「人馬座A」。「人馬座A」是人馬座最明亮的射電源。1951年,澳大利亞射電天文學家進一步確認了電波來自銀河系中心。

1974年,天文學家布魯斯·貝里克(Bruce Balick)和羅伯特·布朗(Robert Brown)使用美國國家射電天文臺的綠岸干涉儀,在人馬座A的方位上,發現了一個在射電波上非常明亮,同時又非常致密的天體。布朗后來稱之為「人馬座A*」。

針對「人馬座A*」最主流的解釋是:那是一個黑洞,因為只有在黑洞的周圍,才會有如此強大的射電波產生。1994年,紅外和毫米波研究結果認為,這個天體的質量大約相當于300萬個太陽。

2002年,以馬克斯·普朗克地外物理研究所萊因哈德·根舍(Reinhard Genzel)為首的一個科研團隊,基于對一顆名為S2的恒星圍繞「人馬座A*」的運動軌跡進行的為期10年的研究推測,S2所圍繞運行的中心天體質量,至少相當于400萬個太陽。

2009年,另一個科研團隊宣布,對該區域恒星軌跡的進一步觀測結果表明,它們的中心天體必然是一個黑洞,因為在理論上,沒有其他天體物理學現象,能夠將那麼大的質量,集中在那麼小的空間內。與之相關的一系列研究成果,為根舍和加州大學洛杉磯分校的安德里亞·格茲(Andrea Ghez)贏得了2020年諾貝爾物理學獎——因為他們獲得了「有史以來最可信的銀河系中心存在超大質量黑洞的證據」

時隔90年后,「事件視界望遠鏡」將來自銀河系中心的射電波轉化成了影像,讓我們直觀地看到了「人馬座A*」周圍的樣子。影像與理論預測是相符的,由此人類對「人馬座A*」是一個超大質量黑洞的認識躍入了一個新的階段。這一成果同時也標志著人類科技水平在90年中取得了巨大進步。


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