銀河系浩渺無際，十萬光年內聚集了千億恒星——哪一顆最值得久久端詳？
一個年近古稀的老人，用半輩子時間凝望著一顆星，回答了這個問題。
他就是德國天文學家Reinhard Genzel。
他的這顆星連名字都沒有，只有個編號'S2’，卻揭示出銀河系中心最黑暗的秘密，為他贏得了2020年諾貝爾物理學獎。
這是怎么回事，聽我慢慢道來。
Genzel之前的'黑洞’
從科學家到大眾，當代人已經完全接受了'黑洞’這種極端天體存在的事實。但從最早有關黑洞的'腦洞’被提出，到黑洞被理解、被證實，科學界走過了相當長的一段路。
早在18世紀末（乾隆年間！），就有英、法兩國物理學家開過這樣的腦洞：如果保持太陽密度不變，但是把它的直徑拓展五百倍，讓它的總質量提高上億倍，那根據牛頓力學，這樣一顆星表面的逃逸速度將超過光速。而如果光無法逃離這顆星，它看起來應該是黑色的。他們把這種假想的天體叫做'黑星’，這是關于黑洞最早的科學幻想。
1915年，愛因斯坦廣義相對論的提出刷新了人類對時空本質的認識。一個名叫史瓦西的德國小伙子看到愛因斯坦場方程后只用了不到一個月，就得出了一個解。雖然不久之后他就在一戰(zhàn)戰(zhàn)場上染病身亡，但其他科學家從他的這個解中提取出一個關鍵的物理量——'史瓦西半徑’。
這個僅由天體質量決定的半徑數值，成了理解黑洞概念的關鍵：如果宇宙中的一定質量的天體可以被壓縮到對應的史瓦西半徑內，它就會無限地向內塌縮，直到變成一個無限小的'奇點’。這樣形成的極端天體，或者說這樣一個極端的時空區(qū)域，就被稱作'黑洞’。
現在我們知道，黑洞按照其質量，大致可以分為兩類：恒星級黑洞，一般形成于大質量恒星死亡之時，質量可以達到幾十個太陽質量；還有一種叫超大質量黑洞，往往位于星系中心，質量可以達到幾百萬甚至幾億個太陽質量。
說起來最早的'黑星’假說中，'黑星’就被想象為上億倍太陽質量的龐然大物。但真正發(fā)現這種宇宙級'巨獸’的存在，還是20世紀60年代的事。
當時天文學家發(fā)現一種看起來跟恒星差不多的點光源狀天體'類星體’，但它們擁有很強的無線電輻射、具有不規(guī)律的亮度變化，而且在從其光譜中識別出一些譜線后，天文學家發(fā)現這東西往往都極其遙遠——意味著要達到我們觀測到的亮度，它們本身需要具有超過整個星系的發(fā)光功率。進一步觀測發(fā)現，它們都位于遙遠星系的中心，只不過因為星系主體跟類星體相比太暗，往往只有最亮的核心被我們看到，因而才有'類星’的形態(tài)。
天文學家考慮過，這會不會是超大質量的恒星導致的？但要達到這么高的亮度，理論上需要幾百、上千倍太陽質量的恒星。這種恒星即使有，也會因為燒得太快而很快崩潰，不足以解釋類星體現象。
理論天體物理家們指出這樣一種可能性：如果有一個幾百萬太陽質量的黑洞，它的史瓦西半徑只有幾個太陽那么大，那任何物質在向這個黑洞掉落的過程中，都會像是掉入一個極深的井中，讓掉落物質的引力勢能得以充分釋放。用愛因斯坦的質能轉化方程E=MC2衡量，核聚變只能燒掉0.1%的質量，而物質掉向黑洞的過程，則可以轉化出相當于物質質量30%以上的能量！
黑洞不僅不黑，還是宇宙中最強發(fā)動機！
銀河系中心是什么
既然宇宙中很多星系中心都疑似存在超大質量黑洞，天文學家自然會想到，我們自己的銀河系中心，會不會也存在著超大質量黑洞？
反過來說，如果天文學家能在銀河系中心確認超大質量黑洞的存在，就可以推而廣之，確認用超大質量黑洞來解釋類星體這種理論的可靠性。
上世紀70、80年代，天文學家用當時已經相當豐富的各種觀測手段對準銀心一陣猛拍，發(fā)現這里確實不太對勁。
1977年，這里被發(fā)現有時會出現猛烈的電子、正電子湮滅輻射——說明銀心有一個致密天體，在猛烈撕扯周圍的物質。
在射電波段，天文學家也識別出銀心一個小而強的輻射源——人馬座A*。得益于射電天文學在60年代發(fā)展出來的甚長基線干涉技術，人馬座A*的位置可以被非常準確的確定出來。美國國立射電天文臺的一組研究人員看了7年時間，發(fā)現人馬座A*幾乎一動不動，仿佛絲毫沒有受到周圍天體運動的擾動——說明它有著巨大的質量。
射電天文學家還繪制出銀心星云的分布。他們發(fā)現雖然銀心附近也有不少星云，但最靠近中心的地方，存在一個10光年大小的空腔，像是被吸塵器掃蕩過一樣。而空腔外尚存的星云，則被質量巨大的引力中心拉扯成長條狀，有的可以被加速到每秒上千公里的高速。
丨銀心附近的氣體空腔（Genzel在1990年《科學美國人》文章配圖）
時間來到1987年。為了推測中間這個超強引力中心是一個單獨的超大質量天體（黑洞），還是由一團不怎么發(fā)光的致密天體（比如中子星）組成的密集星團，年僅35歲的Genzel放了個大招：他主筆的一篇大綜述文章總結了很多不同人的觀測，通過銀心附近不同距離處天體的不同公轉速度，確定了銀心附近的質量分布（即不同半徑內分別包含了多少質量）。
他發(fā)現，那個10光年空腔的內外，質量分布迥然不同?？涨煌鈧?，看起來就是一大團恒星，質量分布按密集星團的理論規(guī)律改變；而進入空腔內側，就逐漸從原來的規(guī)律'跑偏’，甚至到距離中心1光年以內的區(qū)域中，包含的質量幾乎不再隨半徑改變，看起來像是沒什么別的東西了，更像只有中心一個超大質量的點狀天體。
丨銀心附近的不同半徑內所包含的質量隨半徑的變化，圖中包含本文下一小節(jié)即將介紹的內容（馬普地外所2018年進展報告）
這個思路非常棒。但這個超大質量中心天體究竟是不是黑洞，就要在接下來的幾十年中再行詳查了。
發(fā)現S2，盯住S2
從1991年開始，Genzel不斷改進觀測設備甚至打造自己的專屬相機，以應對諸如由地球大氣造成的'視寧度’[1]等問題。積累幾年數據后，Genzel在1996年刊文《自然》雜志，報告了他的發(fā)現：他的團隊找到銀心附近的39顆恒星，最近的距離銀心僅有0.1光年。
發(fā)現銀心星團后，才是漫長等待的開始。
他在等這些恒星在中心天體巨大引力的掌控下，滑出一道道優(yōu)雅的軌跡，讓他可以根據這些恒星軌道，計算出中心天體的位置、質量等信息。
而其中肩負重任的那顆恒星，就是離銀心最近的'S2’。
Genzel盯了十一年之后，S2星在2002年第一次來到了近心點。
這一次，距離不再以光年、光月、光日計算。這一次，S2到銀心之間只有17光時，日地平均距離的125倍。
這次過近心點讓Gezel算出中心天體的密度下限，他當時已經可以得出結論：它就是個黑洞。
雖然這個發(fā)現在30年后足以讓他獲得諾貝爾獎，但他并沒有止步于此，S2的發(fā)現給Genzel帶來更大的野心：他想用更高精度的望遠鏡測量它的軌道。
畢竟它的公轉周期，只有16年，短于人的壽命——那么，再盯16年就是了。
從2003年開始，Genzel不斷'鳥槍換炮’，以獲得更高的天體定位精度，在2018年S2再次經過近心點時，Genzel可以精確測量出S2每隔一兩天的位置變化！
|S2星2018年過近心點時位置的逐日變化（諾貝爾獎委員會2020年物理學獎解讀材料）
極高的測量精度讓Genzel不止可以玩轉簡單的密度計算——他可以把廣義相對論玩出花來了。
100年前，人們通過對太陽系內水星近日點進動的觀測，對牛頓力學提出了質疑；又用太陽引力對背景恒星星光偏折的觀測，宣告了廣義相對論制霸物理學界時代的到來。
這倆效應，Genzel在兩萬多光年之外的S2星軌道中，都觀測到了。
這是Genzel獲得的強有力證據，這一來，對銀心超大質量黑洞存在的驗證、對廣義相對論的驗證，都可以說是板上釘釘了——釘得賊結實那種。
周遭佚事
篇幅所限，一些佚事未能展開。
比如，Genzel的父親，Ludwig Genzel，也是個大物理學家，德國馬普固體物理研究所的創(chuàng)始所長。他對紅外干涉儀的發(fā)展做出了重要的貢獻，間接奠定了其子Reinhard Genzel的成功。
比如，與Genzel一起拿諾獎的還有一個美國的女天文學家，Andrea Ghez。她稍晚于Genzel開始研究S2星，但也在大體同期使用美國一對10米口徑的凱克望遠鏡，對S2星軌道進行了精確測量，其結果與Genzel形成很重要的互相印證，坐實了相關結論。
比如，Genzel用VLT發(fā)現過幾次銀心黑洞附近的'閃耀’。這種據推測為小塊物質掉入黑洞引發(fā)的閃耀，發(fā)生在3-5個史瓦西半徑處，幾乎就是'貼臉’了。這種比S2還近的距離，進一步加強了銀心存在超大質量黑洞這個結論的可靠性。
比如，從S2第二次抵達近心點到Genzel獲獎的這兩三年間，還發(fā)生了一些同樣重要的事情：'美國激光干涉引力波天文臺’（LIGO）探測到雙黑洞并合產生的引力波；把橫跨整個地球直徑的數臺望遠鏡連接起來的'視界面望遠鏡’（EHT）拍下了M87星系中心超大質量黑洞的光環(huán)；以及，霍金逝世。
▽▽▽
說回Genzel。他，出身學霸世家、年少即有大為；但他沒有揮霍自己的資源，而是踏踏實實用一輩子，只看了一顆星、只做了一件事，最終無負于家尊、無負于時代。
當然，也好在剛好有那么一顆周期'僅’16年的S2星，能抵近到距離黑洞17光時的地方。用Genzel自己的話說，這算是天文學家的'大運’了。
11月6日騰訊科學WE大會，Reinhard Genzel將引領大家一探宇宙深幽。一起線上赴約吧！
[1]視寧度：大氣湍流造成星光傳播路徑上大氣折射率復雜分布、快速變化，影響望遠鏡成像的清晰度。視寧度即為衡量這種大氣湍流效應的物理量。
作者
劉博洋
西澳大學射電天文博士
天文科普作家
諢號：“天文八卦學家”
本文轉自騰訊科學WE大會
