人马座A*

从恒星轨道到黑洞阴影

人马座A*是银河系中心的超大质量黑洞。为了确认这个无法直接看见的天体，天文学家依次解读了附近恒星的轨道、高温气体发出的射电辐射，以及被强引力弯曲的光。它的发现史并非一张“黑洞照片”的故事，而是多种独立观测汇聚到同一结论的过程。

• 距离
  距地球约2.67万光年
• 质量
  约为太阳的415万倍
• S2公转周期
  约16年
• EHT光环直径
  51.8 ± 2.3微角秒

为什么看不见银河系中心

沿人马座方向回望约2.67万光年，就会到达银河系中心。然而，视线途中分布着遮挡可见光的浓厚星际尘埃。天文学家因此使用较容易穿透尘埃的红外线和无线电波来观测中心区域。1974年，人们在银河系中心发现了一个极其紧凑而强烈的射电源，后来将其命名为人马座A*，简称Sgr A*。

射电源很亮这一事实本身，并不足以立即断定它是黑洞。决定性线索来自周围的恒星：如果恒星围绕一个不可见的点高速运行，就能根据轨道大小和速度计算中心集中的质量。

S2勾勒出的隐形质量

最具代表性的恒星S2大约每16年绕Sgr A*一周。最近时，它距离中心约120 AU，也就是日地距离的约120倍；速度可达约7700 km/s，接近光速的3%。对S2及其他恒星进行数十年精密跟踪后，天文学家发现约400万倍太阳质量集中在S2轨道以内一个极小的区域。

在S2于2018年最近掠过中心时，观测到了引力红移；随后又确认了轨道近心点每一圈都会略微前移的史瓦西进动。它不再是牛顿力学中的闭合椭圆，而会绘出广义相对论预言的玫瑰花形轨道。这项长期观测揭示了银河系中心高度致密的超大质量天体；莱因哈德·根泽尔和安德烈娅·盖兹也因相关工作共同获得2020年诺贝尔物理学奖。

Sgr A*并非通过一次拍摄得到确认。恒星轨道首先称出了它的质量，相对论效应检验了它的引力场，EHT最终分辨出事件视界尺度的结构。

EHT图像拍到了什么

事件视界望远镜并非一台望远镜。2017年4月，全球八座观测站的射电望远镜在1.3 mm波长上同时观测同一目标，并通过甚长基线干涉技术组成一台地球大小的虚拟望远镜。由原子钟同步的海量数据经过整合，最终成果于2022年公布。

图中的橙色光环既不是黑洞表面，也不是事件视界本身。黑洞周围高温等离子体发出的无线电波受到强引力弯曲，并沿多条路径汇聚成明亮光环。中央暗区是看起来比事件视界更大的黑洞阴影，由光被捕获以及周围区域光线不足共同形成。测得的厚光环直径为51.8 ± 2.3微角秒，与广义相对论对约400万倍太阳质量的克尔（Kerr）黑洞所作的预测一致。

为什么它更近，却比M87*更难成像

Sgr A*比M87星系的黑洞近得多，成像却更困难。两个黑洞周围的气体都以接近光速运动，但Sgr A*的质量和尺度小得多，气体绕光环一周只需数分钟。地球各地的望远镜在数小时内收集数据时，目标的亮度和结构始终在变化。

因此，公布的成果并不是冻结某个瞬间的普通照片。研究团队采用具有不同时间变化的模型生成大量重建图像，再把多个独立算法中都稳定出现的光环和中央亮度降低提炼为代表性图像。EHT数据和分析流程也已公开，可供独立复核。

安静，但并非静止

与其他星系的活动星系核相比，Sgr A*非常暗淡而平静。它不是无差别吞噬周围一切的宇宙吸尘器，只吸积少量足够靠近的气体。距离足够远的恒星会像围绕任何同质量天体一样维持稳定轨道。不过，向内运动的等离子体会被加热、快速变化，并不时产生红外和X射线耀斑。

2024年，EHT偏振图像显示阴影附近存在强烈、扭曲而又相对有序的磁场。这种结构与尺度大得多的M87*周围磁场相似，说明超大质量黑洞吸积物质并产生外流的物理机制，可能跨越不同尺度保持相似。不过，Sgr A*的喷流尚未得到确认，仍是需要通过观测检验的假说。

如何解读观测证据

这些数值是包含观测模型与不确定性的近似值。尤其需要注意，“阴影”“事件视界”和“明亮光环”并不表示同一条边界。

资料来源

• Event Horizon Telescope Collaboration — First Sagittarius A* EHT Results I
• Event Horizon Telescope — First image of the Milky Way black hole
• ESO — S2 Schwarzschild precession around Sagittarius A*
• NASA — What is the center of our galaxy like?
• Event Horizon Telescope — Polarized view of Sagittarius A*