黑暗之心：银河系中心黑洞即将爆发

伤我心太深

（文/Nigel Henbest）我们银河系的中心是一个极端之地。“在银河系中，那里的恒星密度最高，恒星运动速度最快，气体储量最集中，磁场也最强。”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的天文学家马克·莫里斯（Mark Morris）说。而潜伏在银河系正中心的，则是宇宙中最难以理解的天体——我们银河系自己的超大质量黑洞。

2013年年底，一团质量相当于地球3倍的气体，将落入银河系中心超大黑洞的口中。得到食物补充的黑洞，也将从沉睡中苏醒，转入爆发模式。这张示意图中红色标出的就是那团气体，蓝线标出的则是周围的恒星围绕黑洞旋转的安全轨道。图片来源：ESO

这个质量高达太阳400万倍的黑色巨兽，被称为人马A*（Sgr A*），能够让恒星以每小时近2000万千米的速度绕着它疾驰。然而，这也是一头温顺的巨兽，只吞噬稀薄的星际气体当作零食。那些气体在葬身其腹之前，会释放出暗弱的射电辐射。

如今，它的“性格”即将发生改变。过去，人马A*产生过大规模爆发，把银河系塑造成了今天这个模样。2013年年底，一团被称为G2的气体云将靠近它的边缘，我们将首次目睹一个黑洞如何从沉睡中苏醒。对于是什么让一个星系的黑暗心脏开始跳动，我们将获得前所未有的认识。

研究银河系的中心并不容易。它发出的可见光在抵达地球之前，几乎就会被大量的尘埃吸收干净。如果阳光也会遭遇同样的消光，正午的太阳看上去就会比北极星还要黯淡，白昼的天空也会黑得深不可测。因此，为了能够看得清楚，我们必须求助于能够穿透那些尘埃的辐射——也就是射电波、红外线和X射线。

过去几十年来，工作在这些波段上的地面和空间望远镜所作的观测已经表明，放眼宇宙，人马A*其实没有特别突出的地方。它只比太阳明亮100倍，而区区一颗恒星，比如说猎户座中的参宿四，亮度就高达太阳的10万倍。还有一些黑洞重达太阳的数十亿倍，落向它们的气体会被加热而发出辐射，从而爆发成类星体。

类星体是宇宙中最明亮的天体，发现于1963年4月。然而，它们遥远的距离使得我们难以对其展开研究。美国西北大学的达里尔·哈格德（Daryl Haggard）说：“仔细研究我们银河系的中心，包括G2的遭遇，可能是我们详细了解这些现象的最佳机会。”

天文学家用来瞄准人马A*展开观测的最新设备，是美国宇航局（NASA）在2012年6月发射升空的核分光望远镜阵（NuSTAR）。它可以在最高能的X射线波段上细致地观测天空，这类辐射正是位于黑洞边缘的灼热气体会发射出来的。

2012年，NuSTAR探测到了来自人马A*的X射线爆发。这可能源自于绕着黑洞转动的气体内部贯穿的磁场：随着磁场缠绕得越来越紧，它们可能会突然“短路”，像太阳耀斑那样产生一道耀眼的闪光。又或者，磁场可能从气体盘中旋转着完全脱离出来，产生一道狭窄的能量喷流。许多类星体都“骄傲地”展现出延伸长达数千光年的巨大能量喷流，人马A*的小规模爆发或许也会向我们展示这些喷流的形成过程。

也有可能，这些爆发完全是另一回事。英国莱斯特大学的谢尔盖·纳雅克钦（Sergei Nayakshin）认为，这次X射线爆发具备了所有的特征，来自于一团比G2小得多的气体，在黑洞的边缘被加热到了1亿度的高温。

死定了的行星

他的观点是，这团过热气体是一颗命运多舛的小行星的遗骸，直径原本有10千米，源自于一个可能围绕银心旋转的巨型小行星带。这颗落向黑洞的小行星曾经近距离飞掠过银心黑洞，最近时到黑洞的距离跟太阳到地球的间距相当，结果被黑洞强大的引力撕碎。“如果一颗小行星闯到了人马A*附近太过于靠近一颗恒星或行星的地方，它的轨道就会发生变化，” 纳雅克钦说，“如果被抛向黑洞，那它就死定了。”

纳雅克钦估计，大约每十万年，就会有一颗不幸的行星用同样的方式，甚至在更壮观的爆发中结束它的一生。这样的“死亡”可以解释人马A*一个世纪前发生的一场爆发，当时它的亮度达到了太阳100万倍，爆发的回光（类似回声，只不过主体是光，而不是声音）仍在银河系中心附近回荡。这样的回光现象，也就是辐射在附近气体云团上的反射，最早是在可见光波段，在一颗熄灭已久的爆炸恒星周围发现的。过去10年来，两颗X射线卫星一直在监视我们银河系的中心，已经看到了一波明亮的X射线在那里的寒冷气体云中传播。哈格德说：“通过这些观测往前回溯，我们可以得出结论，人马A*在最近100年前曾经发出过非常强劲的辐射。”

目前，我们还无法分辨这场爆发是一颗行星最后的呻吟，还是黑洞磁场打了一个巨嗝。对于未来的爆发，我们应该能够分辨出来，这要得益于名副其实的事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）。

要看清人马A*的最细微之处，就需要尽可能使用最大的望远镜，事件视界望远镜符合这一要求。它其实是一台“虚拟”的望远镜，由世界各地的射电望远镜相连而成，这使得它的等效口径足有地球那么大。在它的首次观测中，3台相连的射电望远镜盯着人马A*进行了足够细致的观测，发现一团气体就位于黑洞的边缘，也就是它的事件视界上。随着智利和南极洲上更多的射电望远镜加入进来，这台望远镜的灵敏度将进一步提高，应该能够观测到人马A*的爆发是向内下落还是向外喷射——前者标志着小行星或者行星的瓦解，后者则是能量喷流的特征。

相对于能让万亿颗太阳都黯然失色的类星体，银河系中心100年前的爆发简直微不足道。但进一步的银河系考古发现了银河系核心曾经更剧烈爆发的证据，爆发时的耀眼程度直逼类星体。那场爆发在银河系中心的两侧，形成了两个巨型高温气泡，现在分别高达25000光年。这两个“费米气泡”是在2010年由NASA的费米卫星发现的，这颗卫星专门探测空间中的γ射线。那么，是什么造就了如此巨大的结构？

银河系的上下两侧，存在两个分别高达25000光年的巨型高温气泡，它们的存在为银河系中心黑洞过去曾经大规模爆发提供了证据。图片来源：harvard.edu

大质量年轻恒星构成的3个星团提供了一条线索：一个星团就在人马A*附近高速运动，另外两个在距离稍远的地方围绕黑洞旋转，其中这一便是所谓的“五合星团”（Quintuplet cluster）。这个星团中包含着著名的手枪星云星（Pistol star），它是整个银河系中质量最大、最明亮的恒星之一。这些星团的诞生本身就是大事一件，必定会产生更加广泛的影响。美国西北大学的法尔哈德·尤塞夫－扎德（Farhad Yusef-Zadeh）说：“恒星形成的效率非常低，应该会有50％的气体被倾倒在了人马A*上。”有了充裕的气体可以大块朵颐，人马A*会发生能量相当于太阳1000亿倍的爆发，使它像类星体一般闪耀（尽管按类星体的标准，这个亮度只能算是一般般），或许还吹出了两个巨大的高温气泡。

还有其他的解释。“对于费米气泡，每个人都有自己偏爱的观点，”尤塞夫－扎德说，“我认为它是由星暴的能量产生的。”（编者注：星暴是指大规模的恒星形成过程。）但费米卫星还发现了有趣的线索，暗示两个气泡中存在一条笔直的“喷流”，这或许标志着是银河系中心的黑洞为吹起这两个气泡注入了能量。

无论细节如何，费米气泡的存在都指向了银河系中心曾经出现过的大规模骚动，涉及到大量气体的运动——不是落入黑洞，就是坍缩形成我们今天看到的大质量星团。大量气体的出现很容易解释：虽然紧挨着人马A*的周边区域几乎没有气体，但几百光年之外就有许多巨大而稠密的气体云绕着银河系中心转动。其中一块气体云被称为人马B2，质量达到太阳的300万倍，包含100多种不同的分子，其中的酒精足以装满一个地球大小的酒杯。问题是，这样的气体云如何会被蹋出原本稳定的轨道，坍缩形成新的星团，还为贪婪的人马A*黑洞提供了食物。

2013年3月，美国范德堡大学的凯利·霍立－博克尔曼（Kelly Holley-Bockelmann）及其同事提出，罪魁祸首是一个矮星系。这个闯入者骤然撞入银河系的中心区，压缩了气体云，使它们坍缩形成了明亮的新生恒星，其中就包括手枪星云星这样的巨型恒星。剩余的气体则被倾倒进了中央黑洞之中。

孤注一掷

哈格德已经观测过数十亿光年以外与银河系类似的星系，他估计这样的骚动在星系的一生中会反复发生，或许每1000万年到1亿年就会出现一次。这意味着银河系中心黑洞的下一次大规模爆发还要等很久才有可能发生，也意味着天文学家将更加热切地期待即将在2013年年底发生的爆发事件。

今年年底，一团气体将几乎径直落入银河系中心超大黑洞之口。得到食物补充的黑洞，也有可能转入爆发模式。视频来源：ESO

德国马普学会地外物理研究所的斯特凡·吉勒森（Stefan Gillessen），在检查他和同事过去10年来收集的人马A*的图片时，发现了气体云G2。他说，这完全是个惊喜。G2不像周围高速运动的恒星那样，在安全距离上围绕银心黑洞旋转，而是在孤注一掷地几乎径直冲向黑洞。吉勒森作出的最合理猜测是，这团气体云是附近恒星吹出的星风相互碰撞减速而形成的。

还有人提出，G2是一个年轻恒星周围正在形成的行星系统中蒸发出来的气体——这或许称得上是最为极端的观点。如果这种推测属实，我们即将目睹的就将是一个饱受摧残的行星系统，以比海王星到太阳更近的距离，从一个超大质量黑洞旁边掠过的场景——这肯定会成为未来某部科幻电影中的一个场景。

等到今年年底，随着G2经过距离黑洞最近的地方，它的一部分气体开始被黑洞吸入，会有更多的信息显现出来。尤塞夫－扎德说：“这将是一件非常非常大的事件。”首先，它将告诉我们一些关于黑洞周围气体环境的信息。如果人马A*周围几乎没有气体存在，G2在黑洞引力的作用下被挤压成长面条形时，就只是会升温而已。红外望远镜将看到它的亮度会激增，其他设备将探测不到任何东西。

相反，如果在黑洞周围潜藏着一个至今未被我们发现的稠密气体盘，G2在高速撞入气体盘的过程中，就将产生X射线和射电波的爆发。这样的碰撞甚至会向我们透露，人马A*有没有在向外发出能量喷流——只不过因为太小，天文学家无法用普通望远镜观测到它。

吉勒森和同事从2013年3月便开始了观测，预计会紧盯着它，直到2014年3月。哈格德也参与了这项漫长的监测。她说：“G2和人马A*之间的这场遭遇战，整个过程可能会持续几年，甚至更长时间。”如果剩余的气体在黑洞周围形成一个持久的气体盘，我们甚至可能看到一个微缩版的类星体，向太空中射出更强劲的喷流。

我们应该为此担心吗？恐怕没有必要。相对于星系的尺度上，G2还是太小了——它的质量最多只相当于3个地球，因此没有人预期它会在银心引发类星体那样的大规模爆发。莫里斯说，那种大规模的爆发或许还要再等1000万年才会发生。即便到了那时，如果我们的子孙后代还活着的话，他们也没必须钻进距离最近的防空洞。“在银河系中心出现的爆发和类星体，对天文学家来说虽然是个绝好的机会，但它们对地球产生重大影响的可能性极小，”莫里斯说，“有25000光年的距离，我们离那片危险区域还很遥远。”

如果我们能跨越25000光年，亲身前往银河系中心近距离观赏这一事件，那将会相当壮观。“我们在那里能够看到的‘夜空’会让你叹为观止，”莫里斯说，“在地球的夜空中你每看到一颗星星，在那里你会看到100万颗。”不过，尤塞夫－扎德说，由于存在高强度的背景辐射，再加上还有一个不可预测的黑色巨兽潜伏在附近，那里大概不是我们会考虑要去的地方。用他的话来说，“绝不可能！我又没疯，我知道在那里我身上会发生什么——我可是很珍惜生命的！”