冒牌自然老師

引自科學網

人馬座A星，科學家希望不久能看到人馬座A星黑洞的黑色輪廓

錢德拉望遠鏡(Chandra)照片顯示人馬座A星是X射線的源頭

M87星系將成為黑洞研究的焦點

M104星系也被認為有一個大黑洞

NGC 5128星系

英國《新科學家New Scientist》雜誌報導，美國一個研究小組日前表示，他們有望在未來幾個月公佈一組證明黑洞存在的照片，首次揭開這個神秘物體的廬山真面目。

對廣義相對論最嚴格檢驗

銀河系中心有一片陰影，科學家一直認為，我們看到的陰影其實是一個超大質量黑洞留下的。在那裏，引力規則是至高無上的，周圍的光線被吞噬，將空間結構拉伸到拐點。黑洞也許是最大膽的科學預測，縱然我們可以繪製出理論上的黑洞圖片，找到許多看似黑洞的天體的證據，但迄今從來沒有人真正看見過黑洞。

這一切或許會在幾個月內改變。天文學家正在整合地球上多台電波望遠鏡資源，將其變成迄今最精確的天文觀測儀器。他們會將這只“大眼”轉向銀河系中心一個超大質量黑洞所在位置，即代號為“人馬座A星”(Sag A)的黑洞。即便目前尚未建成，但這個“電波巨眼”已拍攝到一張人馬座A星的迷人靚照。

去年9月，一個由美國麻省理工學院赫斯塔克天文臺(Haystack Observatory)天文學家舍普·多爾曼(Shep Doeleman)領導的一個研究團隊發表了多篇論文，足以證明人馬座A星黑洞的存在。

多爾曼及其團隊希望不久能看到人馬座A星黑洞的黑色輪廓。接著，他們希望看到墜向黑洞的物質，勾畫出黑洞遭扭曲的時空畫面。通過這些資料，科學家將得到黑洞形成和發展過程的資訊。這些觀測資料還會是迄今對愛因斯坦廣義相對論的最嚴格檢驗。廣 義相對論預測了黑洞的存在。如果廣義相對論是錯誤的，多爾曼的團隊可能根本看不到黑洞，而是更加奇怪的東西。

質量相當於450萬個太陽

我們確信無疑的一點是，一個龐大的神秘天體隱藏於銀河系中心——因為它強大的引力影響著 附近恒星和氣體的運動。這一神秘天體的質量是太陽的450萬倍，湧進了一個大小相當於內太陽系的區域。讓物質以如此緊密聚在一起的辦法十分罕見。一大群中 子星或小質量黑洞均高度不穩定。所以，科學家認為最好的解釋就是超大質量黑洞。

超大質量黑洞被認為處於多數大星系的中心。在一些所謂的活動星系，大量氣體被捲入黑洞， 在黑洞周圍形成一圈熾熱物質，常常令周圍數十億顆恒星變得黯然失色。我們的銀河系顯然就沒有黑洞那麼好運氣，只能依靠附近恒星噴射的一層稀薄的氣體存活。 隨著氣體向黑洞方向運轉，它會加熱並照亮黑洞，儘管看上去遠比活動星系內的圓盤狀物體昏暗。此時，從無線電到X光線，各類電磁輻射物噴射而出，場面蔚為壯 觀。

當然，黑洞自身確實不會發光，但它可以吞噬光。這是我們希望可以看到的結果：黑洞周圍氣 體發出的光被吞噬，這樣一來，在熾熱的發光氣體的背景下，黑洞就成了一個陰影或輪廓。看到這片陰影絕非易事。它沒有輪廓鮮明的邊緣，因為我們依舊會在黑洞 前面看到光和氣體釋放的其他放射物。另外，陰影範圍十分小。

按照愛因斯坦相對論的解釋，一個質量相當於450萬個太陽的超大質量黑洞的直徑應該為 2700萬公里，即便其引力會讓附近光線彎曲，看上去是真正大小的兩倍，但這個黑洞看上去仍舊非常小。從地球上看去，這可能覆蓋大約50微角秒 (micro-arcsecond)的角度——這好比一個出現在月球上的足球，或是整條手臂上的一個細菌。

初期研究結果令人失望

普通望遠鏡根本看不到這種小黑點。於是，多爾曼正通過一種成熟的技術“甚長基線干涉測量 法”(very long baseline interferometry)探尋這種可能性。通過將全球各地天線的觀測資料結合起來，天文學家可以有效重建大型天線看到的物體——即便像地球一樣大的 物體。由於小天線很少搜集光，VLBI望遠鏡生成的圖像可能並不理想，但它卻可以揭示更多的細節。

以前VLBI望遠鏡對銀河系中心的觀測距離太遙遠，根本看不清楚黑洞的陰影。最初，我們 將穿透銀河系最擁擠的區域，在那裏，大量氣體驅散無線電波。哈佛大學天體物理學家艾維·羅布(Avi Loeb)說：“看上去就像是濃密的大霧令街燈的照片顯得很模糊。”更糟糕的是，黑洞周圍的氣體對大多數波長來說都是不透明的，這猶如給陰影上蒙上了一層 紗。

圖像的清晰度基本上取決於觀測到的輻射物的波長，波越長並沒有讓我們獲得更清晰的照片， 相反更模糊。幸運的是，如果望遠鏡可以在波長為1毫米左右的情況下工作，那麼上述問題全都迎刃而解。這種短波輻射可以穿透星際薄霧和氣體內的面紗。另外， 從理論上講，如果一台望遠鏡的天線分佈於數千公里的範圍內，其清晰度足以看到黑洞陰影。事實上，天線之間間隔越大，清晰度越好。

多爾曼的團隊在對VLBI望遠鏡進行改進後，令其可以在1.3毫米超短波範圍內工作。 2007年4月，他們利用架設在亞利桑那州、加州和夏威夷州三地山頂的望遠鏡眺望太空，但觀測結果卻令人失望。儘管它們捕捉到人馬座A星中心區域 的輻射信號，但卻沒有掌握獲取有關這個黑洞清晰照片的足夠資訊。

揭開神秘陰影廬山真面目

多爾曼說：“我們具有匹配這一資料的兩種模型。”在第一個模型，人馬座A星看上去就像是 一個中心有個大洞的炸面圈，這或許是個超大質量的黑洞。不幸的是，他們的觀測資料還顯示一團白色的噴射物質，並無明顯的黑洞陰影。即便如此，這些早期觀測 資料也是人馬座A星確屬於黑洞的強烈跡象。據加拿大多倫多大學天文學家艾弗裏·布羅德里克(Avery Broderick)介紹，研究結果表明它幾乎肯定具有“事件穹界”，即黑洞的重要特徵。

事件穹界是事實上並不存在的邊界，在這一邊界內，任何物質都逃不脫黑洞引力的控制。穿越 這一範圍的物質會慢慢被吞噬，連輻射物都不會釋放。有些理論則認為，那其實不是黑洞，而是稱為玻色星體(boson star)的、由大量重量很輕的顆粒構成的球體，它們可能具有物理表面而非邊界。這些表面可能會被落在上面的氣體加熱。

布羅德里克同哈佛大學的羅布和拉梅什·納拉亞(Ramesh Narayan)一道，分析了多爾曼的研究結果，認為如果人馬座A星具有一個表面，那麼這個表面可能熱得會發光，不斷釋放紅外光。事實上，天文學家尚未觀 測到這種發光現象。他們總結認為，事件穹界給人馬座A星蒙上了一層外衣，讓我們根本看不到裏面的東西。

這一結論可能還存在諸多漏洞，所以，真正看到黑洞本身當然更好。今年4月，多爾曼重返夏威夷，為增長望遠鏡的敏感度，他決定嘗試利用莫納克亞(Mauna Kea, 白山)山頂上的三台望遠鏡而不是以前的一台。他在4月3日的一次會議上表示：“我認為，我們今晚已向大家證 明我們可以做到這一點。”經過幾個月的處理，最新觀測資料應該最終會揭開銀河系中心神秘陰影的廬山真面目。

多架望遠鏡協同“作戰”

位於美國加州的CARMA望遠鏡陣列，由6具10.4米直徑，9具6.1米直徑，8具3.5米直徑的天線組成

位於夏威夷的JCMT望遠鏡

位於智利, 建造中的地面最大望遠鏡ALMA陣列

發現第一個昏暗的污點將只是一個開始。杜勒曼希望使用更短同時更為“鋒利”的0.87毫米波長。與此同時，越來越多的望遠鏡也將聯合起來，幫助研究人員進一步揭開這顆黑洞的神秘面紗。

地球“電波眼”的中心將位於智利的山脈沙漠地區，在這裏，阿塔卡馬大型毫米/次毫米望遠 鏡陣列(以下簡稱ALMA)正在製造之中。據悉，所有66個碟形衛星天線將於2012年竣工並投入使用。杜勒曼說：“重達800磅的ALMA將成為‘電波 眼’的新主力成員。”通過與地球上的其他望遠鏡相配合，ALMA能夠提供一幅更為清晰的Sag A圖片，同時也可能發現M87星系內一個更為龐大的黑洞。

形象地說，ALMA也能為我們拍攝一部黑洞電影。杜勒曼說：“最令我感到興奮的是，我們 能夠將目光聚焦在時間變異性。”在很多波長條件下進行的觀測揭示了盤旋在Sag A周圍的氣體產生的輻射突然爆發。利用甚長基線干涉測量法，杜勒曼希望對這些盤旋的並且即時被穹界吞噬的小閃光進行觀測。他說：“這可能是這部影片的最珍貴的鏡頭’。”

旋轉成關注焦點

這種觀測能夠揭示研究人員急於想知道的一個有關黑洞的問題，即它們的旋轉。相對論指出， 一個旋轉的黑洞將在太空結構中形成一個漩渦，這種現象被稱之為“引力框架拖曳”。距離黑洞較近的熱點將被拖進這個漩渦，這些熱點的移動將暴露Sag A的旋轉速度。此外，我們也可因此瞭解這顆黑洞的過去，原因在於：它的旋轉依靠其吞噬的使之成為當前“重量級”黑洞的物質。

牛津密西西比大學的伊曼紐爾·伯蒂(Emanuele Berti)以及安娜堡密歇根州大學的馬爾塔·沃倫特裏(Marta Volonteri)對黑洞一些不同“食物”產生的影響進行了計算。Sag A在成長過程中可能遵循一個穩定的“飲食”結構，即吞噬星系氣體。星系氣體共用星系的所有旋轉，在逐漸靠近黑洞過程中形成一個螺旋運動速度越來越快的盤， 就像水從放水孔流出一樣。在星系氣體完全被吞噬時，它的旋轉便成為黑洞的一部分。如果Sag A的絕大多數重力都以這種方式增長，它的旋轉可以提升到相對論可能允許的最大值。

此外，Sag A也可能通過吞噬任意軌道附近大量資源的氣體逐漸成長壯大。這些“食物”隨機定向的旋轉在很大程度上彼此抵消，也就是說，Sag A的旋轉速度可能很低。另一種可能性是，Sag A分層次成長，就像體積較小的星系合併形成銀河系一樣。每一個星系帶來自己的大質量黑洞，所有這些黑洞合併在一起，最終形成Sag A。在伯蒂和沃倫特裏的模擬中我們看到，經常只需適度的旋轉便可形成一個黑洞。

廣義相對論面臨挑戰

當然了，所有這些均建立在假設愛因斯坦廣義相對論成立基礎之上。在愛因斯坦提出這一理論 幾乎過了一個世紀之後，廣義相對論仍舊是我們有關重力的最理想理論，並且與行星軌道以及引力透鏡效應的精確觀測結果相匹配。布羅德里克說：“廣義相對論的 完美程度幾乎達到令人為難的程度。”

但科學家從未在黑洞附近的超強引力條件下驗證這一理論，此時的廣義相對論預言面臨最為極 端的一種情況。布羅德里克希望通過跟蹤熱點在扭曲空間的移動，對廣義相對論進行修訂。他說：“最理想的方式就是讓一名大學生手持鐳射指示器進入星系中心。 如果這些閃光真的出現，我們便可用它們替代。”

通過確定Sag A附近時空準確形態，這部有關閃光的電影便可將相對性和一些相競爭理論——用於解釋恒星與星系的不規則運動更多地與暗物質和暗能量有關——區分開來。與相對性相競爭的理論包含一些複雜的想法，例如標量-張量-向量引力以及f(R)引力。

杜勒曼4月進行的最新觀測能否發現一些奇怪的事情？穹界是否擁有一個奇怪的形狀？又或者 一無所獲。布羅德里克說：“在此之後，我們便要面臨一個問題。”一種可能性是，在超強引力情況下，相對論是完全錯誤的。另一種可能性是，銀河系中心的“怪 物”Sag A要比我們認為的更為昏暗。

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