銀河中心的巨怪

■ 陳壯叔

地球像一只藍色的巨眼，通過炫目的光芒和塵霧正盯著銀河中心。在那閃爍的銀心世界里，不是巨大的太陽，也不是碰撞著的云層或物質—反物質湮滅的伽馬閃光。在那中心處，在那些物質的星云之中，隱藏著一塊陰影。科學家打算抓住這一離我們3萬光年的、不清楚的怪物。

我們全力看著的這個陰影，它正是一個巨大的黑洞。黑洞不是看不見的嗎？怎么會有陰影呢？

在銀心的天域中，引力是至尊的統治者，它抓住了一切，連光線都不例外，它把空間彎曲到破裂之點。黑洞也許是科學家最難以置信的預言。即使如此，科學家還是畫出了它的理論圖景，并指出了許多像是黑洞的天體。可是，卻沒有一個人確切地看到過黑洞。

所有這些情況，或許有望得到改變。天文學家正把全球的射電望遠鏡連成一個網絡，使之成為一個分辨率極高的探測設備。他們將把這只射電巨眼轉向我們星系的中心，那片天域被稱為人馬座A*，相信那里就是巨型黑洞所在之處。

麻省理工學院海斯坦克天文臺的杜利曼希望，不久將觀察到該洞的暗影，進而關注落入物質，就此可推測黑洞周圍的被扭曲時空。這將告訴我們，該黑洞是如何生成和成長的。

這些觀測也將是對愛因斯坦廣義相對論的嚴格驗證，黑洞的存在正是它的預言。那么是什么原因使我們相信，銀心中潛伏著一個巨物呢？這是因為人們看到，極強的引力在拉動銀心近旁的星體和云層的運動。估計中心巨物的質量高達450萬個太陽，可是卻塞入僅太陽系內層般大小的區域——能把物質擠壓成如此緊密的，非巨型黑洞莫屬。

科學界認為，極大部分的大星系中心，皆有一個超級大黑洞。在那種所謂活動星系中，大量的氣體旋入黑洞，形成一個熾熱的物質盤，即吸積盤。它的亮度往往使其周圍幾十億顆星球的光亮相形見絀。它將放射全波段的電磁輻射，從射電波到X射線。

我們銀河系的這個巨怪，倒不是大量“進食”的，它僅靠近旁星球流出的微薄氣體而存活。這些氣體向洞中落入，也同樣升溫發光，但要比活動星系所發的光暗弱得多。

當然，黑洞本身并不輻射，甚至連光線都能吞沒，那么我們如何能看到它們呢？前面已談到，黑洞周圍形成一個吸積盤，盤中的氣體急速地流向中心的黑洞，它們因高溫而發光，這些光也被黑洞俘去，故吸積盤的內層是看不到的。射電眼看到的只是一個暗影，它襯托在閃爍的熾熱氣體——吸積盤外層——之上。

要看到這個陰影并非易事。它既沒有明顯的邊界，而且還要受到來自黑洞前面的氣體所發出的光和其他輻射的干擾。按相對論，一個450萬個太陽質量的黑洞，其跨度為2700萬千米。實際上，黑洞是一個極微小的點，這里所說的跨度是指黑洞視界的尺度。所謂視界，是黑洞引力占絕對統治的區域，任何物質（包括光）一旦進入視界，就永無逃出的機會。視界極大的引力將彎曲近旁的光線，看上去其面積好像大了2倍。即使如此，從地球看去也只是一個黑點，其視角只有50微弧秒。這相當于我們去觀察放在月球上的一個籃球。

一般的望遠鏡不可能看到如此小的一個黑點。但杜利曼采用了一項新的觀測技術，稱為天文甚長基線干涉儀（VLB1），這一技術可以把散布在全球各處的觀測數據綜合起來重建圖像。

以前VLB1對銀心的觀測太模糊了，不但沒能看到黑洞的影子，更糟的是，盤旋在黑洞周圍的氣體對許多波長的電磁波是不透明的，這無異于給暗影蓋了一塊幕布。幸運的是，由于觀測技術的進展，這個問題已經不再是障礙了。

若射電望遠鏡在1毫米波長（或更短）上工作，就能穿過星際霧和內層氣體的覆蓋。此外，若一臺射電望遠鏡配有多個天線盤，就理論而言，它們彼此相距越大，其圖像越清晰；若相隔幾千千米，則其分辨率足可看清這個暗影。

早在2007年4月，杜利曼的小組就在VLB1的甚短波長（1.3毫米）上工作，但結果并不理想。他們采集到了來自人馬座A*的輻射，但信息不夠多，無法取得較好的圖像，難以做出更深層次的分析。即使如此，這些早先的觀測都具有一個很明顯的特征：人馬座A*確實是一個黑洞。根據伯勞德利克（加拿大學者）的看法，這些結果指出，他們正是看到了視界，那是黑洞的確切特征。

視界是一個無實體的界限，在它里面沒有任何東西能逃脫黑洞引力的抓捕。它們被無聲無息地吞沒，沒有任何放射。有些理論家說，銀心中可能不是一個黑洞，而是所謂的玻色子星，它們有實質的表面而非視界，由于大量氣體落入表面，勢必成為一顆體積最小的極熱星。

伯勞德利克分析了杜利曼的觀測結果。他認為，若人馬座A*有表面的話，它將灼熱到穩定地輻射紅外光；但事實上，人們并未觀測到這類白熱光。故人們得出結論說，我們確實看到人馬座A*，它披著視界的斗篷，把其內部的任何事物和宇宙的其余部分隔開。

杜利曼并不滿足于上述這些觀測。他說，那個模糊的黑點只是一個開始。他將把觀測移向更短的波長——0.87毫米。屆時，將有更多的觀測結果匯集到一起，以取得一個有關黑洞更具有揭示性的圖像。

巨大的微波眼建在智利的沙漠山上，大型的毫米/亞毫米陣列（ALMA）正在建造中。它具有66個天線盤，將于2012年投入運行。杜利曼說，對我們的觀測而言，ALMA有如如虎添翼。它跟全球其他的觀測設備協作，應能提供更清晰的人馬座A*的圖像，甚至揭示出活動星系M87中的更大黑洞。

杜利曼說：“最令我興奮的是，我們將能觀測到瞬間的變化。在許多波長上的觀測表明，盤旋在人馬座A*周圍的氣體有時會突然爆發出射電暴。”杜利曼表示，他們還將關注環繞著的耀斑運動，以及它們實時被視界吞沒的現象。

他們的這些觀測，有助于知悉這個黑洞的自轉。相對論稱，一個自轉黑洞將在空間結構中形成一個旋渦，接近洞（實際上是視界）的物質熱點將被這個旋渦卷入。所以我們由此可探索到人馬座A*的自轉速度，進而它將帶給我們有關此黑洞形成的線索，因為它的自轉依賴于它過去所消耗的東西。

如此巨大質量的黑洞是如何形成的？理論學家提出了幾種不同的人馬座A*的成長模式。一種是靠吞食銀河系氣體，這些氣體分享著整個星系的旋轉，飛快地奔向視界，在其周圍形成一個旋轉著的吸積盤；盤中的氣體越來越快地奔向黑洞，這一情況有如浴缸中的水流向泄水孔；當氣體最終被吞沒，其旋轉量將加在黑洞上，那么人馬座A*的自轉可能達到相對論所允許的最大值，其視界的轉速可接近光速。另一種模式，若人馬座A*的成長是通過氣體中的“小吃”（那是來自進入隨遇性軌道近旁的氣體群，由于它們的運動軌道是隨遇性的，故它們的旋轉量大多被相互抵消），這樣人馬座A*的自轉速度可能較低；另一種是碰撞型，當一個較小星系跟銀河系相向碰撞而合并時，由于每個星系都有自己的中心黑洞，那么當它跟人馬座A*合二為一時，往往具有適中的自轉。

廣義相對論在愛因斯坦提出近一個世紀以來，一直是我們最好的引力理論，跟觀測精確匹配。但是這一理論從未在超強引力場，諸如在視界近旁做過檢驗，據相對論做出的預言都是比較極端的。

若杜利曼所做的觀測看到某些異常，這可能意味著相對論在超強引力場中將完全失效。而銀河中心的巨怪，其陰影比我們想象得還要陰暗。

不過，我們的巨型黑洞——人馬座A*雖很難看清，卻很開朗。若它像活動星系的中心黑洞那樣處于爆發狀態（指視界周圍物質），那么地球上安能出現生命？我們這個超級黑洞較溫和，但它也會爆發，若在30 000年前去看，其亮度是現在的1億倍。莫斯科空間研究院的萊姆尼斯塞夫說，這是因為鐵克萊天文衛星看到了人馬座B2氫云（離人馬座A*350光年）輻射出的高能X射線。唯一的解釋是，30 000年前，人馬座A*爆發出甚強輻射，經過350年到達B2云層，激發后者產生X射線。

要感謝人馬座A*的溫和性格，否則就不會有我們。這也許是宇宙的必然，但它出現在宇宙2000億個星系中的銀河系之中，可能是個偶然。