黑洞照亮宇宙 ——银河系中心黑洞及其物理意义(2)

2 银河系中心大质量黑洞

虽然早在百年前哈佛大学 H. Shapley 教授就已经确定了银河系中心位置，但直到1960年代，射电天文观测发现银河系中心区域的射电辐射很强后，才极大地促进了对银河系中心的大规模研究。然而，要精密检测这个区域的物理条件，首先需要克服三大困难：(1)中心辐射区域具有很多气体和尘埃，因此消光和吸收十分严重；(2)需要高空间分辨率的观测设备，即大口径望远镜，特别是物理目标集中在检验是否有大质量黑洞时，要求空间分辨率高达毫角秒，只有 10 m 级望远镜才能实现；(3)地球大气扰动极大地限制了空间分辨率，必须采用自适应光学消除或者极大减弱扰动效应之后，才能观测中心区域的物质分布和时空。

观测技术经历了大约三个阶段，使得空间分辨率达到了目前的10微角秒。(1)光斑干涉技术阶段：为了减弱大气扰动干扰，观测时控制曝光时间使之短于大气扰动时标，然后把图像叠加起来，可以有效减弱干扰；(2)自适应技术应用阶段，使得恒星图像变得清楚足以测量出恒星轨道；(3)光干涉阶段，测量恒星轨道十分精确，并可以测量恒星光谱的引力红移和轨道的施瓦西进动。天文学家制造了功能强大的终端仪器，马普地外物理所根泽尔团队研制了：8 m VLT+NACO(成像)+SINFONI(光谱)；加州大学洛杉矶分校格兹团队研制了：10 m Keck OSIRIS。三个阶段的技术不断提高，不断缩小测量半径及其以内的质量，最终提供了足够证据表明超大质量黑洞的存在。

与之相应的观测研究大致经历了5个主要阶段：

(1) 研究初期，只能通过观测中心气体动力学的方法进行。在1970年代美国伯克利团队发现银心气体的运动速度很快，高达 200 km/s，意味着大质量引力势的存在。这是大质量黑洞存在的最早证据。

(2)1990年后期，根泽尔团队利用欧洲南方天文台的 3.5 m 新技术望远镜(New Technology Telescope)观测获得进展，虽然不能分辨单一恒星及其轨道，但是可以测量中心区域内恒星速度弥散。他们发现中心恒星速度弥散满足?v∝R-1/2，显然，这一观测证明了大质量引力势的存在[2]。

(3)格兹团队利用?10 m Keck?望远镜通过光斑干涉技术分辨出银心存在若干个恒星[3]，并开始测量恒星轨道。稍后几年，根泽尔团队不断缩小银河系中心半径范围，测量了中心质量。

(4)从2000年 Keck 望远镜装配了自适应光学系统之后，大气扰动得到了极大改善，能够清晰分辨并测量出恒星轨道。图2(a)，(b)显示恒星S2的轨道以及投影速度。其椭率大约是0.88，近心点为17光时，到地球的距离为 8 kpc。从 1995 年开始直到2020年为止，已知周期最短(16年)的S2恒星在30年间大约经历了2个轨道周期，对轨道的精确测量获得了精度在5%的可靠黑洞质量?M?= 4.3 ± 0.20 ± 0.30 × 106?M⊙。随着空间分辨率的提高，分辨半径以内的天体质量不再发生变化(图2(c))。在能够空间分辨的最小半径内，即在125个日地距离内的密度为?5 × 1015?M⊙·pc-3?[4]?。在已知的大尺度天体中，如此高的密度只能是黑洞，各种高密度的星团都会在很短的时间内坍缩而变成黑洞。

图2 (a)周期最短的恒星S2轨道；(b)该恒星投影速度随轨道变化；(c)随着空间分辨率的提高，分辨半径以内的天体质量不再发生变化[4]

(5)经过5年时间，2017年根泽尔团队花费大约8000万欧元成功研制出GRAVITY终端设备，并将其装配在欧洲南方天文台甚大望远镜干涉阵列(VLTI)上。短短的8个月后，在近心点处他们精确测量了S2光谱的引力红移为?6.7 × 10-4?(相当于速度为200 km/s)[5]。更令人惊奇的是，GRAVITY团队还高精度地测量了S2轨道的施瓦西进动速度：?δ??= 12′/周期[6]，比太阳系水星的施瓦西进动幅度 43″/世纪大100倍。这两项观测毫无争议地证实了黑洞的存在及其广义相对论效应。第5阶段的工作最终促成了这个崇高荣誉。特别值得注意的是，目前尚未确定银河系中心是否还有质量比低于 10-3 的小黑洞，是否组成一个引力束缚的双黑洞系统。如果存在，那么银河系中心就会变成理想的引力波实验室。时下有关理论研究是一个热点课题。目前马普所的天文学家们正在积极进一步提高仪器性能，以能够测量出银河系中心黑洞的自转角动量，这样才能完整地描述黑洞的物理状态。

根泽尔和格兹在仪器设计和观测方面均是行家里手，同时也都具有长期坚持不懈的专注品质，造就了今天辉煌的学术成就，为大质量黑洞存在于宇宙之中提供了最为坚实的观测基础。同时，超大质量黑洞作为星系的一部分，为研究星系的形成与演化、丈量宇宙和纳赫兹低频引力波打开了未来探测之门。

文章来源：《大学物理》 网址: http://www.dxwlzz.cn/zonghexinwen/2021/1006/824.html