7 银河系中心
7
银河系中心
迷人的垃圾槽
我的童年是在科隆的南城区（Südstadt）附近度过的。这个地方只要走十分钟就能到科隆大学的物理研究所，现在到处都是学生。长大后，我会在这个研究所里选修我人生中的第一门课，甚至还当过一段时间的临时讲师。但在我小的时候，我的世界是我们家门口的人行道。那里总有一帮孩子在玩耍。那时的街道上铺的还是鹅卵石，而每周的亮点是穿着橙色工作服的垃圾工。他们灵巧地将大垃圾桶从后院滚过中间的小道，再滚到大厅里的大垃圾车上。我毕生的愿望就是成为一名垃圾工，好去驾驶那些装着巨大的垃圾桶并吞下垃圾的卡车。人只需要一个杠杆就可以移动如此强大的机器，这让我着迷。我的职业愿望很明确：有压倒性的大型机器就行！
后来我决定学习物理学，还打算把黑洞作为毕业论文的主题。这样的选择与童年时的向往惊人地相似。黑洞是宇宙的垃圾槽，具有难以置信的吸引力——不仅对恒星，而且对年轻的大学生也是如此。我跟从彼得·比尔曼（Peter Biermann）教授写了我的硕士论文。他对学生的态度特别人性化，还总是有疯狂的想法，喜欢和我们讨论。比尔曼了解整个世界，经常旅行，知道哪些是天文学中的热门话题。更重要的是，他的多次出访使我们可以不受干扰地工作！我自己的博士生现在已经非常了解这种感觉——我也经常旅行。然而，比尔曼仍然是一个老派的物理学家，他可以用一支粉笔迅速将所有重要的计算和估算写在黑板上，也可以口算对数。他的父亲路德维希·比尔曼（Ludwig Biermann）曾是慕尼黑马克斯·普朗克物理学和天体物理学研究所的主任，并在太阳磁场方面做出过重要的贡献。维尔纳·海森堡和奥托·哈恩[116]（Otto Hahn，当时年轻的比尔曼只叫他“奥托叔叔”）等名人都曾在比尔曼家做客。
然而，我初次领略黑洞的吸引力并不是在课堂上，而是在阅读《科学之声》（Spektrum der Wissenschaft）杂志的一篇查尔斯·汤斯（Charles Townes）和赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）的文章时。在这篇文章中，作者推测在我们的银河系中心也可能存在一个超大质量黑洞[117]，其质量约为200万个太阳质量。
我的心立即被抓住了，因为这篇文章让我意识到，现在的天体科学领域中有很多令人兴奋的事情正在发生。我对粒子物理学也很感兴趣，但当时，在这一领域并没有什么进展。人们能做的无非是建造大型加速器，但要想看到工程完成的结果，却又得再等个几十年。在我们的银河系中心有一个黑洞——这个有点神秘的想法立即吸引了我。
另一个动机是，引力是最后一种不被理解的力量。它坚定地抵制任何与量子物理学和其他自然力的统一。引力是通向统一理论道路上的巨大绊脚石。当然，我也不知道统一理论长什么样，但留意一下也无妨。也许我可以为物理学的大厦添一块小砖。在计划建房时，知道你想建什么样的房子有很大帮助。职业规划也不例外：你需要知道你想去哪里。我的想法是，如果有什么令人兴奋的事情发生在任何地方，那肯定是在黑洞的边缘。
那是一个冒险的时代。我搬到了波恩的马克斯·普朗克射电天文研究所，在那里我和另外两名同事挤在一间狭小的单人办公室里。我们的一张桌子甚至凸到了走廊上。在我做毕业课题的研究时，彼得·比尔曼向我提出了一个理论问题：我们都知道恒星会发出星风，类星体的吸积盘是否也会向太空发射类似的东西？这种相似性其实是非常令人震惊的：超大质量黑洞周围的旋转物质盘具有与炽热、扁平的恒星类似的特性。这样说来，光的高辐射压力应该吹走圆盘的外层。在极热的恒星上，这一类极端的风可以将大量的物质抛入太空。在黑洞周围，人们还必须考虑到光会被空间的曲率所偏转和聚焦。因此，我计算了气体在类星体的光线下是如何移动的，以及其中心的黑洞是如何偏转光线的。
这个话题果然很有趣，而且后来这个效应真的被发现了；但在那时，这纯粹是理论上的噱头。1992年，我以同一主题开始了我的博士论文。亚利桑那州斯图尔德天文台（Steward Observatory）台长、我论文导师的好同事彼得·斯特里特马特（Peter Strittmatter）有次来拜访我们，计划与波恩的团队一起在亚利桑那州建立一个新的亚毫米波射电望远镜。我自豪地向他介绍了我的项目。他有礼貌地听着，忍住了呼之欲出的哈欠。我的话题似乎没能吸引任何一个人。
不管怎么说，1992年是令人兴奋的一年。在这一年里，我的生活有了新的方向。我们的女儿见到了这个世界，在银河系的中心，一个新的世界也突然变得清晰可见。
银河系的黑暗之心
差不多在发现类星体和提出黑洞的概念的同时，人们就已经在更深入地思考它们背后的东西了。如果在数十亿光年之外，在宇宙早期的动荡年代，在星系的中心已经有了巨大的黑洞，那么它们肯定不可能这么容易就消失了？如果有一些星系有黑洞，为什么其他星系不应该也有黑洞？
天文学家很快注意到，在我们附近的一些离我们仅5000万光年的星系也发生了奇怪的事情。这些星系的核心似乎正在放射出明亮的光芒，喷出在射电波段非常醒目的等离子体。发光的热气体正围绕着它们的中心旋转。这些不同凡响的星系从20世纪40年代起就为人所知，并以其发现者的名字命名为赛弗特星系（Seyfert galaxy）。这一切的背后也是黑洞在捣鬼吗？在20世纪70年代和80年代，天文学家们编制了一整套名录，把所有他们怀疑有中心黑洞的星系都写了进去。这类天体都被称为活动星系核（AGN）。那时候，这一整个研究领域都生气勃勃。在我们自己的银河系中心是否也有这样一个大质量怪物？
英国天体物理学家唐纳德·林登-贝尔和马丁·里斯（Martin Rees）早在1971年就准确地提出了这个猜想，并且预测，跨大洲级别的射电干涉仪（即VLBI实验）可以探测到诸如银河系中心黑洞这样的紧凑的射电源。
射电天文学家立即着手寻找，仅仅三年后，布鲁斯·巴利克（Bruce Balick）和罗伯特·布朗（Robert Brown）利用西弗吉尼亚州绿岸的射电干涉仪，在我们的银河系中心确实发现了这样一个物体。他们以一线之差击败了格罗宁根大学的罗恩·埃克斯（Ron Ekers）和米勒·戈斯的团队。埃克斯和格斯的团队将来自加利福尼亚欧文斯谷的干涉仪的数据与来自荷兰韦斯特博克前集中营遗址的全新射电干涉仪的数据结合起来，同样确认了这个神秘的射电源的发现。
这个新发现的射电源位于一个被称为人马座A的区域中间，该区域被认为是银河系的心脏区域，也就是所谓银心。人马座A是人马座中最亮的射电源，第二亮的叫人马座B。在巴利克和布朗发现的几年后，各种文章里一提到它，还总是称它为“银河系中心的紧凑射电源”。最终，罗伯特·布朗厌倦了这种说法，将其缩写为人马座A*（Sagittarius A*）——星号只是为了表明这是一个非常令人兴奋的天体。因为天文学家们懒得打字，他们一般会把它进一步缩写，说成Sgr A*[118]。科学记者们一想到天文命名就会绝望地捂起脑袋，但对我们天文学家来说，这是很自然、很正常的。
很快，人们也开始对Sgr A*进行VLBI测量，希望得到更清晰的图像，但结果却令人大失所望。该物体看起来无聊透顶：一个几乎是圆形的、略微扁平的圆球。想象中的黑洞可不是这样毫不起眼。在接下来的几年里，人们使用了越来越高的频率，冀求获得更清晰的图像，但仍然只能看到一个圆球，不过现在是一个更小的圆球。然后，射电天文学家们恍然大悟：对于射电辐射来说，银河看起来就像一块巨大的磨砂玻璃，模糊了细小的结构。他们只看到了银河系中心发生的模糊图像——银河系盘中的热气体和尘埃遮挡了我们的视线。多么令人失望啊！
这对可见光来说更是如此。我们银河系圆盘中密集的气体-尘埃云不仅像在射电范围内一样散射可见光，甚至完全吸收了它，阻挡了这个幕布后面的所有视线。银河系会永远保持其秘密吗？
在我刚刚开始博士论文时，这层面纱突然揭开了。在一个临时的小型研讨会上，来自德国各地的专家聚集在波恩，报告了他们关于我们银河系中心的最新的、尚未发表的发现。我激动了起来。
1988年，当时的波恩马普所主任彼得·梅茨格尔（Peter Mezger）和他的合作者罗伯特·齐尔卡（Robert Zylka）领导的小组首次在1.3毫米波长处对Sgr A*进行了测量。这正是我们后来用于图像的毫米级波长范围。虽然他们只有一台望远镜，无法拍摄到清晰的图像，但似乎Sgr A*在那里的辐射出奇地强烈。但更令人惊讶的是，在更高的频率下，在远红外线中，辐射急剧下降，什么也看不到。那么是什么产生了这种毫米波辐射？黑洞附近的超热气体，还是只是更遥远的温暖尘埃云？
在20世纪90年代，波恩马普所和波士顿麻省理工学院的海斯塔克天文台的小组已经率先开发了毫米波VLBI技术。我在波恩的同事托马斯·克里希鲍姆（Thomas Krichbaum）刚刚对人马座A*在43千兆赫（即7毫米）的波长进行了首次VLBI测量，并解释了他的全新结果。这些是迄今为止在最短波长下对该物体拍摄的最清晰的图像。射电波段的毛玻璃效应随着较短的波长而呈4次方递减。看起来，我们终于可以看清更多的东西，而不仅仅是一个无聊的圆球。在一个方向上，这个圆球凸出了一些。这个凸起是小型等离子体喷流的模糊轮廓吗？就和大型类星体的情形差不多？
然而，小型会议的亮点是来自慕尼黑附近加兴（Garching）的马克斯·普朗克地外物理研究所的赖因哈德·根策尔小组的非凡成果。他与安德烈亚斯·埃卡特（Andreas Eckart）一起，将一台近红外相机对准了银河系中心。人们使用这种相机作为夜视设备，因为通过它们能够看到人眼不可见的热辐射。红外光的波长比我们眼睛看到的光要长得多，但它也更容易穿过我们银河系的尘埃面纱。突然，在中心的黑暗中看到了一些东西——一道亮光。这是黑洞的光辉吗？
这个光点非常模糊，没有焦点，因为地球的大气层扭曲了星光。恒星的光在经过漫长的太空旅行后穿过重重大气时就会闪烁。这种效果在炎热的夏天很常见：空气在加热的沥青路上方上升、闪动并形成条纹，扭曲所有图像。同样地，大规模的扭曲在大气中上演。在地球上，我们的印象是星星在闪动。另一方面，从太空看，它们根本没有闪烁。而这正是空间望远镜对研究如此重要的原因。不过，对于近红外光来说，地球造成的失真作用没有对于可见光来说那么糟糕。
根策尔和埃卡特想出来一个妙招，从此在地球上也能获得清晰的图像。他们不再进行长时间曝光，而是拍了一部银河系中心的“慢动作电影”。这使他们能够捕捉到光斑的狂舞。在每一帧中，恒星就像被冻结了一样，然后在计算机中，他们可以通过巧妙地叠加许多帧来纠正光斑来回的弹跳。这个近红外的圆球变得越来越清晰，分解成了25颗单独的恒星。所以，这些光不是来自黑洞。然而，这些微弱的光点中，有一个非常接近射电源Sgr A*。这会是人们热切期待的射电源的对应物吗？我们都很兴奋。
长期以来，天文学家在不同的波长范围内寻找黑洞，但一次又一次，被认为是人马座A*的东西只是一颗恒星。多年后，事实证明，这个例子也是如此。如果人马座A*是一个黑洞，那么它在几乎所有的波长下都是非常黑暗的，唯一的例外就是射电光。
尽管那天会议上的很多内容只是猜想，而且并不完全正确，但我仍然深深感到有些特别的东西正在发生，一扇通往黑洞的新门户打开了。此刻，我们还是通过黑暗的镜子看到它们，但很快会有一天，我们将能够与它们面对面相望。
初步猜测
当我们看到银河系中心的新VLBI图像时，比尔曼教授问我的同学卡尔·曼海姆（Karl Mannheim）（他后来成为维尔茨堡大学的教授）和我能否用类似类星体的喷流来解释银河系中心。“你只需要一两个星期就可以了。”他嬉皮笑脸地补充道。这个话题似乎引起了我这位见多识广的博士生导师的浓厚兴趣，甚至连又一次从亚利桑那州来到波恩的彼得·斯特里特马特也开始认真地听起了我的讲话。
所以我把类星体的盘风搁置一侧，投入了人马座A*的研究中。两个星期一转眼就变成了三十年，而我仍然没有完成这项研究，再也没能回到我的博士论文的原始课题。
什么是人马座A*？这是首要的问题。它是如何发光的？它真的是一个黑洞，一个超小类星体吗？但人马座A*只是一个微弱的光点！如果把类星体3C 273放在我们的银河系中，它的射电核心将比我们现在从人马座A*测量的亮度高400亿倍。它们俩有任何可比性吗？
我们使用了理论天体物理学泰斗罗杰·布兰福德（Roger Blandford）早在1979年与他当时的博士生阿里耶·柯尼格（Arieh Königl）一起开发的一个简单模型，以描述类星体中喷流的射电辐射。然而，我们增加了调节这些等离子体喷流的功率的可能性。可以说，我们给类星体模型加了个油门。
宇宙喷流有点像是飞机上的喷气发动机。对于二者，都是热气体被加速并高速射出发动机。飞行员给的油门越大，这些发动机就越有能量，它们的声音也越大，亮度也越高。在我们的类星体模型中，强磁场塑造了发动机，而能量则由多少物质落入黑洞决定。如果我们只取物质坠落产生的能量的百分之十左右，并将其投入到磁场和喷流中，我们就可以解释类星体中明亮的射电辐射。由于黑洞是相对简单的造物，我们并不认为人马座A*应该与它更明亮的兄弟姐妹有根本的不同。
类星体每年吞噬大约一个太阳。现在，如果我们的黑洞吸走的质量是它的一千万分之一，那么能量就足以产生人马座A*的射电辐射。因此，我们的银河系中心将是一个禁食的黑洞——这么比较显得有些滑稽，因为即使只有类星体的一千万分之一，这仍然意味着它每年吞噬三个月亮。如果把这样的质量喂给银河系中有数亿个的小型恒星级黑洞，它大概会噎住[119]。
我们还能够说明射电源的大小，因为由于其功率较低，射电辐射体小于克里希鲍姆的VLBI测量所能够达到的尺度。如果把射电喷流放在太阳系中心，它都超不出地球轨道——与类星体相比，这是一个名副其实的小不点。难怪在27000光年的距离上不能看清楚它。
在克里希鲍姆的VLBI观测的同时，我们向《天文与天体物理》（Astronomy & Astrophysics）杂志提交了我们的理论论文。但还有一些奇怪的事情让我印象深刻。在我们的模型中，射电辐射像彩虹一样发光——不同的射电颜色从不同距离的中心出现。该模型预测，波长越小，其发射源头就越接近黑洞。在7毫米的波长，也就是克里希鲍姆刚刚用于测量的波长上，等离子体离黑洞还有一个天文单位的距离，但在1毫米波长和更短的范围内，等离子体应该是直接来自事件视界附近。对应彩虹，这将是来自最内环的射电辐射的“紫光”。
梅茨格尔和齐尔卡发现的毫米波辐射是否直接来自事件视界？辐射似乎在更短的波长上断裂的事实支持了这一点。是不是因为气体已经在事件视界后面消失了，所以那里不再有辐射？
我向克里希鲍姆表达了我的怀疑，并询问是否有可能在这些频率下做VLBI实验，然后看到事件视界。他微笑着说：“是的，我们当然打算这么做，但不幸的是，地球不够大。”
1979年，马克斯·普朗克协会与法国国家科学研究中心（CNRS）和西班牙国家地理研究所（IGO）一起，在格勒诺布尔成立了一个新的研究所，即毫米波射电天文所（IRAM）。它运营着西班牙的两台新的毫米波望远镜，波恩的马普所在亚利桑那与当地大学一起建造了第三台望远镜。射电天线也许可以连接在一起，进行一些VLBI试验。但是，望远镜数目还是太少了，拍不了照。此外，克里希鲍姆说，银河系中心的黑洞以及所有其他黑洞都太小了。即使是像地球那么大的望远镜，也不会锐利到足以看到那些波长的事件视界。“太糟糕了。”我想。但看到黑洞事件视界的想法始终纠缠着我，而且从未彻底放过我。
沉默的大多数
我的博士论文由五篇论文组成。经过两年的拼命努力，我终于在1994年夏天以“饥饿洞和活动核”为题完成了论文。是的，“饥饿”的黑洞，因为与流行的看法相反，一般来说，黑洞并不是狂饮滥嚼的贪婪怪物：它们只是温文尔雅地吃完送到嘴边的东西。星系中心黑洞在我们的想象中可能是巨大的，但与整个星系相比，它们只是小鸡仔。而且，就像窝里的小鸡一样，黑洞必须等待食物，并由它们的母星系喂养灰尘和恒星。如果不这样做，它们就会丧失生机，变得暗淡，并停止生长——就像人马座A*一样。但它们不会死亡。
在我的博士论文中，我曾提出并阐释了这样一个论点，即各种黑洞的密集的射电辐射是由同一原理引起的——磁场作用于吸积盘最内部边缘的热气体，形成了喷流，辐射即产生于这种喷流。向外的喷流和吸积盘的下落气体是紧密耦合的，实际上完全共生。在吸积盘和喷流中吹出的东西之间应该有一个普遍的耦合常数。简单地说，如果没有什么东西掉进去，就没有什么东西出来[120]。
黑洞将像火龙一样出现在射电图像上。有些是强大的，用它们巨大的喷流吹出伸向远方的火焰；另一些则弱小无力，从它们的喉咙里漏出来的只有一些无精打采的青烟。但几乎所有的黑洞都会产生喷流：在这个意义上，不论是类星体这样的外向的贪食者，还是银河系及其相邻星系的禁食隐士，都是差不多的。是的，甚至小型的恒星级黑洞的射电辐射也可以用这些喷流来解释。只是，需要集中精力关注直接从喉咙处发出的辐射，不要被大型等离子体喷流的巨大火光所刺激。你必须清楚地知道在哪里寻找目标。
最后，我在博士研究中发现，对类星体、恒星级黑洞和银河系中心，适用着同一个物理学机制。或者，用更具有物理学味道的术语来说，黑洞是尺度不变（scale invariant）的，不管是大是小，黑洞在事件视界附近看起来总是基本一样的。黑洞事实上是彻头彻尾的无聊。它们没有头发，没有神经衰弱，也没有痘痘。那么，在望向各种黑洞的邻近区域，特别是直接看向它们咽喉处时[121]，有什么理由会发现什么不同呢？
大多数黑洞都不太起眼。我曾称它们为“沉默的大多数”，因为它们的行为模式与大多数人类一样。很少有人不顾一切，成为古怪的超级明星，过着令人兴奋的生活，并吸引所有的注意力。因此，在20世纪90年代，在对类星体的炒作之后，对黑洞的关注焦点也转移到了它们在宇宙中的平均形态上。甚至媒体也开始了相关报道。走在这一转变最前面的是哈勃空间望远镜。
这架空间望远镜耗资数十亿美元，于1990年发射到太空，最初因为其反射镜的打磨不正确而成为负面头条。在一次戏剧性的救援行动中，宇航员给这座太空天文台戴上了矫正镜。现在，该望远镜能够以前所未有的清晰度观测我们邻近星系的中心，并通过测量证实了地面望远镜找到的诱人的蛛丝马迹：其他星系的恒星也以异常高的速度围绕各自的星系中心旋转。这些星系的中心是否也有黑洞呢？
研究人员谨慎地称它们为“大质量黑暗物体”（Massive Dark Object），即MDO，但美国航天局运转良好的新闻机器定期向我们提供新闻稿，称哈勃望远镜又发现了一个——而且总是第一个——星系中心黑洞。后来，美国航天局一次又一次地首次发现的对象还有火星上的水和类似地球的行星。当然，哈勃望远镜并没有确定黑洞的位置，只是确定了它周围很远的气体和恒星。
1994年5月底，美国航天局最初的某次成功发现后，我被邀请到西德广播电台（WDR）演播室的青年节目《暗礁：破浪者》（Riff: der Wellenbrecher）中谈几句。直播时间与我的博士答辩在同一天，也就是说刚刚作为射电天文学家毕业，我就必须直接赶到广播室，在广播开始前抵达。年轻的主持人有点紧张，因为她以前从未做过关于物理学的采访，而我以前也从未在电台做过现场采访。但采访很顺利，而且很快就结束了，事后我们都感到很欣慰。(https://www.daowen.com)
这次采访是由哈勃对M87的观测引起的。这个星系是夏尔·梅西叶从巴黎的克吕尼酒店发现的“星云”之一。宇宙岛理论的捍卫者希伯·柯蒂斯在那个星系的中心位置发现了一条指向外侧的奇怪亮线。20世纪70年代和80年代的射电望远镜发现，这条线是一种几乎以光速前进的等离子体喷流。它和类星体以及射电星系中的类似，只是暗淡得多。
在广播采访中，我讲述了哈勃空间望远镜如何发现M87的中心有20亿个太阳质量的物质不可思议地凝聚和结合在一起的，而这个质量体可能是一个黑洞。这使得它重达银河系中心黑洞的1000倍。主持人有些目瞪口呆，而这个数字在我自己看来也大得惊人。好吧，美国人喜欢夸大他们的结果，可能这次也是如此。但我也觉得，M87中心肯定是个非常大的家伙。
没错，M87中的黑洞将比人马座A*大1000倍，但由于与该星系的距离是我们距离银心的2000倍，在我们看来，它的事件视界最多也只有银河系中心的视界的一半。而就算是后者也已经太小了。“真是大事不妙，”我想，“但它总归也跑不掉。”因为M87也有一个明亮、紧凑的射电核心，可以很容易地在短波段观测到。
一旦你想看到黑洞，你就必须用光线照亮它们的周围。那么，了解光线来自哪里，什么光线最好，肯定会有帮助。然而，对于饥饿洞的射电辐射的确切源头，突然出现了激烈的争议。美国哈佛大学的天体物理学家拉梅什·纳拉扬（Ramesh Narayan）研究过不“暴饮暴食”的黑洞是什么样子。他声称，与类星体不同的是，那里的大部分能量甚至从未被辐射出来，而是随着高度加热的气体几乎不被人察觉地消失在了黑洞中。
在这一点上，我还是同意拉梅什·纳拉扬的意见的。然而，在另一点上，我们有相当不同的看法。在他的模型中，银河系中心的射电辐射应该来自吸积盘中的气体，产生于它们消失在黑洞中之前的时刻。在我们的模型中，射电辐射来自刚刚以喷流的形式从黑洞边缘逃出的物质。在M87中，喷流甚至可以在射电图像中直接看到。为什么我们双方设想的银河系中心的运作方式会有这样大的不同呢？同一个模型应该适合所有的黑洞。
争论双方的地位是不平等的：那里是著名的哈佛大学教授，这里是年轻的博士生。幸运的是，会议组织者最喜欢的往往是一场漂亮的学术争论，而我总是被邀请过去讨论这个话题。但到底谁是对的？如何解决这一争端？有一件事是明确的：我们需要新的射电数据，特别是来自其他饥饿的巨人的数据！
遗憾的是，可用的射电数据很少，还有一些已经过时。因此，我逐渐开始自己进行观测，以检验我的模型。我为新墨西哥州的甚大阵、甚长基线阵（VLBA）以及我们自己在埃菲尔斯伯格的望远镜写了观测申请，试图猎取其他星系的黑洞。这是与我的理论计算完全不同的工作，但同样令人兴致盎然。
我使用位于埃菲尔斯伯格地区的大型100米望远镜第一次聆听到了太空。那时，巨大的白色天线在我的按钮操纵下向输入的天空坐标方向移动，3000吨的钢铁服从于我的手指动作，崇高的感觉笼罩我心头。我睁大眼睛，惊叹于这一工程和科学的奇观，感觉自己就像一个小男孩，终于坐上了自己梦寐以求的最大的“太空垃圾车”。在那一刻，我立刻明白了，我不只是想坐在办公桌前发展我的理论，我想亲自通过实验测试这些理论，并测试我的模型。
其后，我和家人一起搬到美国，在马里兰州宁静的劳雷尔（Laurel）镇度过了两年美好的时光。在马里兰大学还有巴尔的摩的空间望远镜研究所（STScI），我使用哈勃空间望远镜和各种射电望远镜，继续追踪和狩猎黑洞。
围绕黑洞跳舞的恒星
在欧洲，赖因哈德·根策尔的小组现在正在用欧洲南方天文台在智利的望远镜寻找Sgr A*——先是用3.6米的望远镜，后来用8米的甚大望远镜（VLT）。但根策尔很快就有了竞争对手。后来，两个研究小组为银河系中心的霸主地位相互竞争的故事变成了一段传奇。
第一次对决是在1996年，在智利拉塞雷纳（La Serena）举行的关于银河系中心的会议上[122]。我在那里做了一个关于人马座A*以及它与其他星系中心黑洞的射电辐射的相似性的演讲。但真正令人兴奋的结果是由根策尔的小组提出的。他们几年来拍摄的高分辨率图像现在显示，银河系中心的恒星移动了位置！如果这是真的，它们前进的速度必须极其之快。
我们习惯于群星看起来一成不变的夜空，但实情并非看上去的那样，因为所有的恒星都在相对于彼此以每小时数万千米的速度冲过银河系。然而，由于它们离得很远，几乎没有人在自己的有生之年注意到这一点。
人马座A*周围的恒星在短短几年内就改变了位置——尽管它们比我们周围的恒星要远得多。一定有什么东西在让这些恒星高速飞转。根策尔认为，只有具有大约250万个太阳质量的黑洞的引力才能做到这一点[123]。
图像上的偏移是极为微小的。稍后，安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）介绍了她的小组的成果[124]。她是加州大学洛杉矶分校的一位年轻教授，最近得到了夏威夷莫纳克亚山上的10米凯克望远镜的使用时间。她的望远镜更大，承诺的观测结果更好，但由于她起步较晚，暂时还没测量到恒星的移动。还要等几年才能见到最后的分晓，但很明显，真正的竞争已拉开序幕。这两组人互相怀疑地注视着对方，并小心地藏起己方的数据。最后，两人都来到了讲台上，犹豫着把印有各自图像的幻灯片放在了对方的上面。测量结果似乎相互吻合。对我们来说，这真是让人长舒了一口气。
这次会议还在其他方面产生了震动。一天，巨大的撞击声忽然响起，大厅的天花板不祥地摇晃起来。这感觉就像往肚子上打了一拳。一些参会者跑到外面，生怕大楼塌了。这是我第一次经历地震。对智利人来说，这使他们回忆起以前发生过的导致许多人死亡的地震。只有顽强的加利福尼亚人仍然坐在原处。很难想象，如果地震更强烈，还会发生什么。
会议结束后，我很清楚，一些令人兴奋的事情即将发生。冲向新发现的发令枪已经打响，但这也将是一场持续20多年的竞赛。科学需要检查和平衡。竞争是确保这种控制实际发生的一种方式。就像在一个压力锅里一样，竞争能让科学发展得更快。竞争也确保各研究团队互相检查，但也造成了巨大的身体和心理压力。当对手处于相似的水平时，竞争就会发挥作用。要做到这一点，你需要有良好的神经、健康、充足的资金，以及多年来正常运作的基础设施。这里的情况就是如此，我们对星系中心的黑暗力量的理解也因此能飞跃性地前进。如果不在这样的场合，那么在哪里能够产生对于黑洞是否真的存在的理解？如果不在这样的环境，我们应该在哪里探测黑洞？
三年后，安德烈娅·盖兹公布了更多关于恒星运动的测量结果。两年后，她成为第一位用大型望远镜发现恒星在弯曲轨道上运动的天文学家[125]。
但这些恒星要去哪里呢？所有的恒星似乎都在围绕一个点运动。但就在这一点上偏偏什么都没有。人马座A*在图像中仍不可见。只有将近红外数据与波恩的卡尔·门滕（Karl Menten）和波士顿史密森天体物理观测站（SAO）的马克·里德的射电测量数据进行密切比较，才能显示出所有运动的锚点确实是射电源人马座A*[126]。一切都以每小时几百万千米的速度围绕着不祥的射电源旋转，而射电源在中心位置一动不动[127]。现在很清楚了：如果那里有一个黑洞，那么它真的必须隐藏在人马座A*的射电光中的某个地方。
安德烈娅·盖兹还指出，其中一颗恒星的轨道非常密近，在短短15年内就围绕人马座A*一周。盖兹告诉我们，很快它将再次绕过一圈，并且与可能的黑洞格外近。
然后又轮到了赖因哈德·根策尔，他在位于阿塔卡马沙漠的欧南台甚大望远镜上安装了一台新的红外相机。智利境内尘土飞扬的荒芜地区是可以想象的最荒凉的地区之一。天文学家们通常下榻在未来派风格的ESO酒店，这个地方看起来就像一个大反派的秘密基地。事实上，该酒店曾作为外景出现在邦德电影《007：大破量子危机》（Quantum of Solace）里。有了新的仪器，天文学家们立即获得了迄今为止最清晰的银河系中心的图像。他们使用了自适应光学技术，其关键在于有一面可变形的镜片在几分之一秒内对大气的干扰进行补偿。天文学家们测量了那颗后来被称为“S2”的恒星，而且得到了不错的结果[128]。与旧图像的比较表明，在几年内，它已经移动到了与人马座A*仅仅相距17光时的近处。这只比冥王星离我们太阳的距离远3倍。
就像开普勒描述的行星围绕太阳的轨道一样，这颗恒星围绕着强大的射电源运动的轨迹也是个椭圆。太阳和月亮来回扯动地球的海洋导致了潮汐，黑洞经过恒星时也会拉扯它的热气体海洋产生类似的现象。然而，当S2在轨道上运动时，人马座A*的潮汐力还不算太强。只有当S2进入到距离黑洞少于13光分的地方时，才有被撕裂的危险。但即便如此，人马座A*的引力对这颗小星来说还是冷血无情的。它的轨道运动速度达到了令人难以置信的每秒7500多千米——在一个小时内，它走过了3800万千米。利用开普勒和牛顿的古老定律，人马座A*的质量就可以从这颗恒星的速度和距离中计算出来，得到370万个太阳质量的数值。这次的计算结果比以前的测量结果要高。我的心欢呼雀跃，因为这也会使事件视界变得更大，更容易看到——但这次测量的不确定度仍然非常大，它可能上下偏差150万个太阳质量。
从唐纳德·林登-贝尔和马丁·里斯在20世纪70年代的预测，到得到这些测量数据，中间经过了整整30年时间。现在，科学界看到了疑似黑洞周围的恒星之舞，他们慢慢开始相信这里正在发生的事情。这个黑洞成为银河系的顶流明星，天文学家们成了狗仔队，热情地播报人马座A*的一举一动。
在那段时间里，安德烈娅·盖兹的团队发现了另一颗围绕着银河系中心转的恒星，甚至比S2离中心更近一点。它用了不到12年的时间围绕银河系中心转了一圈，以光速的百分之一在其轨道上飞驰[129]。根策尔小组后来终于用他们的近红外望远镜在射电源的确切位置探测到了一个微弱的闪烁[130]。现在我们不仅可以用射电光探测人马座A*，还可以在近乎可见光的近红外波段中探测到。空间X射线望远镜也开始测量黑暗边缘的闪烁[131]。辐射在几分钟内变得更亮，然后又变暗。这样的辐射只可能来自一个最多只有几分钟光程的区域——因此它不会比事件视界大多少。黑洞仿佛被包裹在雷鸣般的风暴云中，不断发出闪光，这就是这个宇宙奇观在我看来的样子。但是，单面望远镜的分辨率不足以确定那里到底发生了什么。
于是，加兴的马克斯·普朗克地外物理研究所的根策尔小组与来自法国和德国的其他同事一起，在才华横溢的仪器制造者弗兰克·艾森豪尔（Frank Eisenhauer）的指导下，设计了一个光学望远镜组项目中最困难和最复杂的技术怪胎。它被称为GRAVITY。以往，人们通常只使用智利的8米望远镜中的一个，而它则将同时连接山上的所有4个巨型望远镜。GRAVITY在2016年终于实现。
在2017年底访问慕尼黑期间，我第一次亲眼看到了恒星S2是如何一天天向前运动的。对于一个天文学家来说，这一奇景的动人心魄难以言喻！观测数据证明，人马座A*的质量确实是400万个太阳质量。现在的测量误差不到百分之一。好好想想：我们现在知道了银河系中间的黑洞的质量，比我们任何人知道自己的体重还要精确！
从那时起，GRAVITY团队一直定期提供几乎近到黑洞视界面的图像，将人马座A*中迷人的辐射爆发向世界展示。图像中，那里像一座令人眼花缭乱的旋转木马，带着剧烈闪光的热气体似乎差不多达到了光速，围绕着看不见的东西飞驰。这正是人们期待中黑洞边缘的模样[132]。
400年前，我们发现我们的行星绕着太阳运行，100年前，我们发现太阳绕着银河系的中心运行，10年前，我们看到恒星像行星一样围绕人马座A*运行，现在我们看到气体以近乎光速的速度围绕27000光年外的黑洞旋转。引力一次又一次地把天体和气体云拉到它的魔力之下，迫使它们进入固定的椭圆轨道。这是一次多么了不起的向宇宙深处进发的旅行啊！
但中间那个看不见的东西——它真的是一个黑洞吗？我们离这个神秘的实体如此之近，却又止步于此，无法窥视这个似乎是永恒的深渊的最终面目。我们需要一台更大的望远镜。
20世纪90年代时我在美国，我在那时获得了深入参与哈勃空间望远镜项目及其可能的后续项目的机会。但我想做射电天文学。1997年，安东·岑苏斯（Anton Zensus）刚刚开始担任波恩马普射电天文研究所的新主任，领导VLBI小组，并主动向我提供了一份工作。我抓住机会，和家人一起回了老家，回到世界上最大的望远镜运行的地方。
正是在1999年的波恩，我认识了我的同事杰夫·鲍尔（Geoff Bower）、塞拉·马尔科夫（Sera Markoff）和袁峰。杰夫·鲍尔在伯克利完成了他的博士学位，是一位VLBI专家。我们研究了银河系中心的射电特性，后来我们证明，这个黑洞确实是非常“饥饿”的、甚少获得物质补充的[133]。塞拉是一位理论家，在亚利桑那州读的博士，我们两个人将小型和大型黑洞的辐射合并用一个模型描述[134]。与中国同事袁峰一起，我们将拉梅什·纳拉扬的热盘想法与我们的喷流模型结合起来[135]。长期而富有成效的合作开始了，从此，我们可以真正了解大大小小的饥饿黑洞的天体物理基本原理。
[116]德国放射化学家和物理学家，曾获1944年度诺贝尔化学奖。——译者注
[117]原文见：Charles H. Townes and Reinhard Genzel, “Das Zentrum der Galaxis,” Spektrum der Wissenschaft, June 1990, https://www.spektrum.de/magazin/das-zentrum-der-galaxis/944605。
[118]读作“人马座A星”。
[119]过多的物质落向黑洞时会产生大量的辐射，使得气体不能被吸积，而是被辐射压吹走。因此得到的吸积质量的最大极限被称为爱丁顿极限。
[120]论文见：Heino Falcke and Peter L. Biermann, “The Jet-Disk Symbiosis. I. Radio to X-ray Emission Models for Quasars,” Astronomy and Astrophysics 293 (1995): 665–82, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1995A&A…293..665F。
[121]参见论文：Heino Falcke and Peter L. Biermann, “The Jet/Disk Symbiosis. III. What the Radio Cores in GRS 1915+105, NGC 4258, M 81, and SGR A* Tell Us About Accreting Black Holes,” Astronomy and Astrophysics 342 (1999): 49–56, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999A&A…342…49F。
[122]会议论文见：Roland Gredel, ed., The Galactic Center, 4th ESO/CTIO Workshop, ASPC 102(1996), http://www.aspbooks.org/a/volumes/table_of_contents/?book_id=214。
[123]参见论文：A. Eckart and R. Genzel, “Observations of Stellar Proper Motions Near the Galactic Centre,” Nature 383 (1996): 415–17, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996Natur.383..415E。
[124]参见论文：B. L. Klein, A. M. Ghez, M. Morris, and E. E. Becklin, “2.2μm Keck Images of the Galaxy’s Central Stellar Cluster at 0.05 Resolution,” The Galactic Center 102(1996): 228, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996ASPC..102..228K。
[125]参见论文：A. M. Ghez, M. Morris, E. E. Becklin, A. Tanner, and T. Kremenek, “The Accelerations of Stars Orbiting the Milky Way’s Central Black Hole,” Nature 407(2000): 349–51, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000Natur.407..349G。
[126]参见论文：Karl M. Schwarzschild, Mark J. Reid, Andreas Eckart, and Reinhard Genzel, “The Position of Sagittarius A*: Accurate Alignment of the Radio and Infrared Reference Frames at the Galactic Center,” The Astrophysical Journal 475 (1997):L111–14, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1997Ap…475L.111M。
[127]参见论文：M. J. Reid and A. Brunthaler, “The Proper Motion of Sagittarius A*. II. The Mass of Sagittarius A*,” The Astrophysical Journal 616 (2004): 872–84, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004ApJ…616..872R。
[128]参见论文：R. Schödel, et al., “A Star in a 15.2-Year Orbit Around the Supermassive Black Hole at the Centre of the Milky Way,” Nature 419 (2002): 694–96, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002Natur.419..694S。
[129]参见论文：L. Meyer, et al., “The Shortest-Known-Period Star Orbiting Our Galaxy’s Supermassive Black Hole,” Science 338 (2012): 84, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012Sci…338…84M。
[130]参见论文：R. Genzel, et al., “Near-Infrared Flares from Accreting Gas Around the Supermassive Black Hole at the Galactic Centre,” Nature 425 (2003): 934–37, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003Natur.425..934G。
[131]参见论文：F. K. Baganoff, et al., “Rapid X-Ray Flaring from the Direction of the Supermassive Black Hole at the Galactic Centre,” Nature 413 (2001): 45–48, https://ui.adsabs .harvard.edu/abs/2001Natur.413…45B。
[132]参见论文：Gravity Collaboration and R. Abuter, et al., “Detection of Orbital Motions Near the Last Stable Circular Orbit of the Massive Black Hole Sgr A*,” Astronomy and Astrophysics 618 (2018): L10, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018A&A…618L..10G。
[133]参见论文：Geoffrey C. Bower, Melvyn C. H. Wright, Heino Falcke, and Donald C. Backer, “Interferometric Detection of Linear Polarization from Sagittarius A* at 230GHz,” The Astrophysical Journal 588 (2003): 331–37, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003ApJ…588..331B。
[134]参见论文：H. Falcke, E. Körding, and S. Markoff, “A Scheme to Unify Low-Power Accreting Black Holes: Jet-Dominated Accretion Flows and the Radio/X-Ray Correlation,” Astronomy and Astrophysics 414 (2004): 895–903, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004A&A…414..895F。
[135]参见论文：F. Yuan, S. Markoff, and H. Falcke, “A Jet-ADAF Model for Sgr A*,” Astronomy and Astrophysics 383 (2002): 854–63, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002A&A…383..854Y。
