银河系中心黑洞在哪里

10 月 8 日,2020 年诺贝尔物理学奖揭晓,三位研究黑洞的学者罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、雷因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)分享了今年的荣誉。

黑洞一直是最吸引大众眼球的物理学话题,这不但是因为科学家预言它具有各种突破人们想象的奇异性质,更重要的是,在很长时间内,科学界没有拿出确凿的实锤证据,证明在某个位置发现了一个黑洞。这样,到底存在不存在黑洞,黑洞长什么样子,一直是一桩悬案,吊足了人们的胃口。

这种局面直到最近 10 年才有了决定性的突破。有几个涉及黑洞的大科学实验项目获得了成功,分别是引力波天文台(LIGO 和 LIBRA)、事件视界望远镜(EHT)、可自适应大气扰动的大口径天文望远镜(Keck、VLA 等)。它们分别探测到了黑洞合并的引力波,拍摄了室女座 M87 星系中心黑洞“事件视界”的照片,以及更准确地测量了银河系中心高密度不可见天体的质量。

M87星系中心黑洞事件视界照片
M87星系中心黑洞事件视界照片

这些照片和动图直接了当地展现了黑洞周边的骇人景象。EHT 项目通过对分散在全球 8 处射电望远镜阵列进行组网,拍摄到了 M87 星系中心炙热吸积盘环绕黑暗核心区的影像。考虑到 M87 距离我们有 5500 万光年,这种分辨率相当于从北京拍摄上海的一只注射器针头,并拍到了针尖上的小孔,这是过去技术所无法企及的。照片中的黑暗圆形中心区是黑洞存在的最直接证明。特别是结合其他观测数据分析,我们可以根据那里的极端环境,排除掉这个“黑球”是任何常规天体的可能。

银河系中心超大质量黑洞附近的恒星运动轨迹
银河系中心超大质量黑洞附近的恒星运动轨迹

(版权:the University of Illinois, NCSA Advanced Visualization Laboratory.)

另一方面,在银河系中心,距离太阳约 26,000 光年的地方,几十颗恒星围绕着一个望远镜中不可见的天体高速绕转。德国天文学家根泽尔和美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的盖兹教授分别带领团队,借助自适应大气扰动补偿技术,通过地面大口径望远镜对银河系中心进行了 20 多年的持续观测。由于我们的太阳系位于银河系外围,在我们和银河系中心之间有层层冷气体云遮挡,可见光完全被屏蔽,所以一般的光学望远镜无法看到银河系中心的任何天体。但研究人员发现,近红外线可以穿过浓密的冷气体云,进而可以对星系中心的恒星成像。

今年诺贝尔物理学奖的一半奖金就授予了这两个团队的领导者,他们几乎实现了地面望远镜的分辨极限。要看清银河系最中心处恒星的运动轨迹,也相当于从北京看清一辆上海汽车的车牌号码。上面的动图就是基于 Keck 观测数据制作的动画。几十个太阳大小的恒星被一个隐身巨兽牵引得像小彗星一样,最高速度达每秒数千公里。而这个黑暗中心却岿然不动,通过轨道计算,可知其质量达太阳的 400 万倍。

这个庞然大物就是我们银河系的中心,过去无数古人仰观过银河,但谁也想象不到银河里竟然隐藏着一个“黑旋风”,我们和满天繁星一起围绕它盘旋。如果你有机会远离城市的灯光,在晴朗无月的夜晚看一看银河,那么一定不要忘记向银河中心方向看去,感受一下星系的广袤和自己的渺小。

即使没有太多天文知识,找到这个被称为人马座 A* 的银河系中心方位也不算太难。人马座也就是射手座,我们都知道射手座的人生日是在 11 月下旬到 12 月上中旬之间,这个日期大致是中世纪时太阳位于本星座的时段。换句话说,要想在晚上看到这个星座,你要到远离这一时段的月份。

在 6 月份时,人马座会在午夜 12 点时分转到正南方,这就是最适宜观看的时节。之后,它将逐渐朝西转动,每天都会更早几分钟从西南方向落下。到 10 月上旬,晚上 19 点左右它就会落到较低位置了,也就不再适宜观察了。

在北半球中高纬度地区,人马座总是离地平线不高,这是因为人马座赤纬较低(-30°左右)。用通俗的语言解释,可以把地球想象成一个在台面上(赤道平面)旋转的陀螺,而人马座位于台面之下 30° 方向,因此从陀螺上半部看它是比较费劲的。再考虑观测地的纬度,我们可以知道当人马座转动到正南方,也就是一天中的最高点时,其高度角为 60° 减去所在地的纬度(北正南负)。对于北京(北纬 40°)来说,可知人马座在最高点的高度角只有 20° 左右,很容易被楼宇遮挡,经过的大气层也较厚,能见度大为下降。这就是很多天文爱好者喜欢去南半球的原因,在南纬 30° 地区,人马座正好在脑瓜顶上,这样能看到非常明亮的银河系中心区星云。

如果你处于合适的月份和位置,寻找人马座并不太难,在下图中,人马座中有 8 颗较亮的星组成了一个茶壶形,这是很容易识别的标志。另外,人马座西边是天蝎座,长长的蝎子尾巴也是很好辨识的目标。而且天蝎座高度角更低,几乎不用抬头就可以在地平线上方找到这个星座。

人马座a*的位置
人马座 A*的位置

如果环境足够黑暗,应该能看到人马座茶壶嘴的位置就是银河最亮的区域。我们要找的银河系中心,在亮带以外的暗带中,大致是茶壶口三角形的角分线延长线上、天蝎座尾巴上方的区域。之所以那里反而不明亮,是因为我们太阳系和银河系中心都位于扁平的星系盘面上,银盘里的气体和尘埃挡住了星系中心的可见光。人马座的明亮区域,是星系中部略微突出盘面的部分,就好比荷包蛋的蛋黄。带着这个理解再去看银河,应该更能感受到星系的浩瀚吧。

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