黑洞鎖定人馬座A*

　　黑洞存在有了確鑿的證據？5天前，國際權威科學雜誌《自然》上的一篇文章，讓媒體的目光難得地聚集在一個高深的物理名詞———「黑洞」之上，也聚集到了中科院上海天文臺研究員沈志強領銜的國際小組身上。

　　在這場聚焦中，銀河系中心的神秘天體人馬座A*，也從距離地球2.6萬光年的九天之外落入凡間公眾的視野。據說，它就是一個黑洞。

　　這個黑洞真的存在嗎？科學家們是如何「揭開黑洞神秘面紗」的？記者為你一一解讀其中奧秘。
　　
　　黑洞的最佳證明
　　
　　或許應該這麼說，媒體廣泛報導的「上海科學家證實黑洞真實存在」和「量出黑洞大小」，這兩種說法都存在著誤導性。事實上，人馬座A*是黑洞仍然只是一個猜想，而所謂大小不過是一個最新的觀測結果，它真正有多大，還是個謎。

　　眾所周知，因為黑洞的引力場大到任何東西、包括光都無法逃逸，自然就不能通過光的反射進行直接觀測。那人馬座A*是如何被觀測大小的呢？答案是，當物質被黑洞吸引墜入時，受到重力作用，物質會加熱而產生輻射。這些輻射線通過射電望遠鏡可以觀察到。1974年，科學家通過射電望遠鏡，在銀河系中心發現了一個緻密射電源人馬座A*。在離它1光年的範圍裡，擁擠著1000萬顆恆星。

　　此次領銜人馬座A*觀測研究的上海天文臺研究員沈志強介紹，在被觀測發現前，理論物理學家很早就推測人馬座A*為黑洞。過去30年間的觀測數據分析表明，人馬座A*處在周圍恆星橢圓運動軌道的焦點上，可以計算出，人馬座A*的質量約與400萬個太陽相當。

　　根據天文學家卡爾·史瓦西提供的公式，如果知道了一個天體的質量，我們就可以算出它體積小於多少時，就會變成黑洞。比如地球，當它縮到比半徑為9毫米的一個小球更小，就可以成為黑洞。這個9毫米，稱為地球的「史瓦西半徑」。同樣我們可以算出，400萬個太陽質量的人馬座A*的史瓦西半徑大約是1179萬公裡，差不多是1/13個天文單位（1個天文單位等於地球到太陽的距離）。

　　好了，現在就剩最後一步了：只要我們證實，人馬座A*的真實半徑確實小於1/13個天文單位，那它無疑就是一個符合理論的「標準」黑洞了。換句話說，就可以證明廣義相對論的預言是正確的：黑洞真實存在。

　　11月3日，沈志強領導的國際小組在《自然》上發表最新觀測數據稱，人馬座A*是橢圓狀視結構，其沿東西方向直徑是1個天文單位，這仍比一個同等質量的「標準」黑洞的直徑要大出6倍多。但相比過去，這實在是了不起的進步，而且，這麼大質量的天體如此小的體積，基本排除了人馬座A*是其它天體的可能性。

　　不管怎麼說，這的確是目前為止黑洞存在的最佳證明了。
　　
　　八年與五個小時
　　
　　為了得到這樣一個結果，沈志強所領導的國際天文研究小組通過全球8臺射電望遠鏡，對人馬座A*進行了長達8年的觀測。而奠定最後結果的觀測，只進行了5個小時，大部分時間，科學家們都是在等待和計算。

　　這是什麼原因造成的？先要來了解一下甚長基線幹涉測量（VLBI）技術。簡單來說，VLBI就是把幾個小望遠鏡聯合起來，達到一架大望遠鏡的觀測效果。這是因為，雖然射電望遠鏡能「看到」光學望遠鏡無法看到的電磁輻射，從而進行遠距離和異常天體的觀測，但如果要達到足夠清晰的解析度，就得把望遠鏡的天線做成幾百公裡甚至地球那麼大。上世紀50年代，劍橋大學的天文學家馬丁·賴爾建成了第一臺射電幹涉儀，使不同望遠鏡接收到的電磁波可以疊加成像，在此基礎上，VLBI得以發展。1974年，賴爾以此獲得了諾貝爾獎。
　　目前，全球用於VLBI觀測的望遠鏡已經超過了30面，上海天文臺的25米射電望遠鏡於1994年成為歐洲VLBI網的正式成員。由於每次觀測代價都非常昂貴，所以必須向VLBI網委員會進行申請，當申請通過後，各天線會在統一號令下，同時指向天空同一點，在同一頻率上把同一電波源的電磁波，按嚴格約定的格式形成數據流並記錄在磁帶上。觀測完成後，這些磁帶被匯集進行數據處理。

　　即使有了VLBI，要獲得沈志強小組最後所得到的人馬座A*在3.5毫米波上的圖像，也不是一件容易的事。

　　難就難在，沈志強說，由於星際介質的衍射效應，人馬座A*的射電波在到達地球觀測者時，會被散射開來。這樣看到的，其實是一個不真實的人馬座A*。但長波相對於短波的衍射效應更明顯。也就是說，在越短波段上對人馬座A*進行觀測，圖像越接近真實。但問題是，短波比長波更難捕捉。一定要等到大多數射電望遠鏡所在地的天氣都很理想，才能展開觀測。

　　從1997年起，沈志強小組通過VLBI獲得了人馬座A*在5個波長段的圖像，最小到7毫米。2002年11月，在新的觀測申請遞出20個月後，小組成功等來了人馬座A*在3.5毫米波上的圖像。

　　對於科學研究而言，運氣永遠建立在無比的耐心和永恆的堅持之上。
　　
　　黑洞中發生著什麼
　　
　　白駒過隙。愛因斯坦提出相對論已經有整整100周年，美國物理學家慧勒正式提出「黑洞」這個概念，也已有30多年了。如今，黑洞這個詞的流行程度在天文詞彙裡是一等一的。但優美的理論推導與公眾的熱情並不代表事實，只有找到確切的證據，才算是修成正果。

　　在最簡單的描述中，黑洞是這樣的：一個有著巨大質量的天體，被一個並無實體的球殼所環繞，其間皆是虛空。球殼半徑即史瓦西半徑，這個又稱為「事件視界」的球殼，隔開我們熟悉的宇宙空間與黑洞內部那一去再不能回頭的未知世界。

　　根據愛因斯坦的廣義相對論，恆星演化到末期，假如恆星質量足夠大，它向內的萬有引力壓倒了向外的斥力，在理論上就能產生黑洞。儘管愛因斯坦自己都否認這種奇怪天體的存在，但上世紀60年代中期發現的脈衝星說明，恆星確實會發生塌縮，或許最終將以中子星或黑洞作為其生命的結束。今天我們的銀河系含有1000億顆明亮的恆星，科學家們估計，恆星質量黑洞數量應該達到1億個，而宇宙中其他星系也應該含有同樣多的黑洞。

　　於是就有了所謂的「黑洞候選體」，包括超大質量黑洞的人馬座A*、橢圓星系M87中心和恆星級黑洞天鵝座X-1等。其中，要算人馬座A*是最熱門的觀測對象，也是最有可能取得突破的研究對象。

　　除了這兩種黑洞外，根據英國物理學家霍金的理論，在宇宙大爆炸之初的極端條件下，小塊物質受到外界的強大擠壓作用，會形成極為微小的黑洞。這就是所謂的「原初黑洞」。它們以黑體輻射的形式蒸發質量，在最後時刻，黑洞被突然摧毀，其質量被轉變成能量。宇宙中的伽馬射線暴，可能就是某個原初黑洞的爆炸。

　　關於黑洞，我們還有很多困惑。理論上，恆星的塌縮一旦越過史瓦西半徑這個界限，就沒有任何力量能阻止恆星繼續收縮，它將一直縮小到變成一個體積為零的「奇點」。這是一個現實世界無法理解的地方，在這裡，一切現有物理規律———無論是牛頓力學、相對論甚至那本身已經足夠怪異的量子論———對它都不適用。

　　在黑洞中發生著什麼？總有一天，科學會給出答案。
　　
　　「做作業」的時代
　　
　　沈志強小組的成員們相信，在1毫米甚至更短波長上進行觀測，就有可能獲得「黑洞陰影」。基於廣義相對論引力場會致使經過其邊緣的光線發生彎曲的預測，可以測算出，每一個黑洞中心都存在一個直徑5倍於其史瓦西半徑的黑色陰影。

　　如果能夠觀測到人馬座A*的「黑洞陰影」，就獲得了迄今為止黑洞存在的最直接證據，其意義是無法估量的。如果在嚴格的條件下卻觀測不到，那意義同樣偉大———作為現代物理學基座的廣義相對論需要修正。

　　是的，對人馬座A*進行VLBI觀測的中美天文學家們8年來孜孜以求，艱苦卓著，無非是要證明一個偉大的頭腦在90年前提出的一個理論。而尋找事實來證實理論預測，正是目前世界上大部分科學家的日常工作。

　　有一個例子或許能夠說明，對於實證主義的科學來說，觀測的作用有多麼重要。

　　也是基於廣義相對論衍生的大爆炸理論，美國普林斯頓大學迪克教授的研究小組在上世紀60年代提出了「宇宙背景輻射」的理論預測。幾乎在同時，貝爾實驗室的兩位工程師———彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜建立了一架高靈敏度天線，本意是改進衛星通訊能力，但在實驗過程中他們發現了無法解釋的微波噪聲。後來他們與迪克取得聯繫，最終確信，這種找不到來源的噪聲正是迪克所預言的宇宙微波背景輻射。

　　這一發現如此重大，彭齊亞斯和威爾遜因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

　　2002年，霍金到中國訪問，在杭州的報告會上他曾不無幽默地說：「黑洞將在『霍金輻射』的『撲』的一聲中消失，而我將得到諾貝爾獎。」不過，霍金忘了一個前提，那就是有人通過觀測證明了他的輻射理論。

　　科學哲學家託馬斯·庫恩把我們這個時代叫作「做作業」的時代。上世紀初，那個群星閃耀的時代誕生了兩大無比璀璨的理論：量子力學與廣義相對論，至今仍有許多細節等待證實。但今天的我們大可不必感嘆上帝的偏愛，誰說全心全意地「做作業」不是一項光榮的使命呢？