银河系浩渺无际，十万光年内聚集了千亿恒星——哪一颗最值得久久端详？

一个年近古稀的老人，用半辈子时间凝望着一颗星，回答了这个问题。
他就是德国天文学家Reinhard Genzel。
他的这颗星连名字都没有，只有个编号「S2」，却揭示出银河系中心最黑暗的秘密，为他赢得了2020年诺贝尔物理学奖。
这是怎么回事，听我慢慢道来。
Genzel之前的「黑洞」
从科学家到大众，当代人已经完全接受了「黑洞」这种极端天体存在的事实。但从最早有关黑洞的「脑洞」被提出，到黑洞被理解、被证实，科学界走过了相当长的一段路。
早在18世纪末（乾隆年间！），就有英、法两国物理学家开过这样的脑洞：如果保持太阳密度不变，但是把它的直径拓展五百倍，让它的总质量提高上亿倍，那根据牛顿力学，这样一颗星表面的逃逸速度将超过光速。而如果光无法逃离这颗星，它看起来应该是黑色的。他们把这种假想的天体叫做「黑星」，这是关于黑洞最早的科学幻想。
1915年，爱因斯坦广义相对论的提出刷新了人类对时空本质的认识。一个名叫史瓦西的德国小伙子看到爱因斯坦场方程后只用了不到一个月，就得出了一个解。虽然不久之后他就在一战战场上染病身亡，但其他科学家从他的这个解中提取出一个关键的物理量——「史瓦西半径」。
这个仅由天体质量决定的半径数值，成了理解黑洞概念的关键：如果宇宙中的一定质量的天体可以被压缩到对应的史瓦西半径内，它就会无限地向内塌缩，直到变成一个无限小的「奇点」。这样形成的极端天体，或者说这样一个极端的时空区域，就被称作「黑洞」。
现在我们知道，黑洞按照其质量，大致可以分为两类：恒星级黑洞，一般形成于大质量恒星死亡之时，质量可以达到几十个太阳质量；还有一种叫超大质量黑洞，往往位于星系中心，质量可以达到几百万甚至几亿个太阳质量。
说起来最早的「黑星」假说中，「黑星」就被想象为上亿倍太阳质量的庞然大物。但真正发现这种宇宙级「巨兽」的存在，还是20世纪60年代的事。
当时天文学家发现一种看起来跟恒星差不多的点光源状天体「类星体」，但它们拥有很强的无线电辐射、具有不规律的亮度变化，而且在从其光谱中识别出一些谱线后，天文学家发现这东西往往都极其遥远——意味着要达到我们观测到的亮度，它们本身需要具有超过整个星系的发光功率。进一步观测发现，它们都位于遥远星系的中心，只不过因为星系主体跟类星体相比太暗，往往只有最亮的核心被我们看到，因而才有「类星」的形态。
天文学家考虑过，这会不会是超大质量的恒星导致的？但要达到这么高的亮度，理论上需要几百、上千倍太阳质量的恒星。这种恒星即使有，也会因为烧得太快而很快崩溃，不足以解释类星体现象。
理论天体物理家们指出这样一种可能性：如果有一个几百万太阳质量的黑洞，它的史瓦西半径只有几个太阳那么大，那任何物质在向这个黑洞掉落的过程中，都会像是掉入一个极深的井中，让掉落物质的引力势能得以充分释放。用爱因斯坦的质能转化方程E=MC2衡量，核聚变只能烧掉0.1%的质量，而物质掉向黑洞的过程，则可以转化出相当于物质质量30%以上的能量！
黑洞不仅不黑，还是宇宙中最强发动机！
银河系中心是什么
既然宇宙中很多星系中心都疑似存在超大质量黑洞，天文学家自然会想到，我们自己的银河系中心，会不会也存在着超大质量黑洞？
反过来说，如果天文学家能在银河系中心确认超大质量黑洞的存在，就可以推而广之，确认用超大质量黑洞来解释类星体这种理论的可靠性。
上世纪70、80年代，天文学家用当时已经相当丰富的各种观测手段对准银心一阵猛拍，发现这里确实不太对劲。
丨太阳系与银心相对位置示意图（诺贝尔奖委员会2020年物理学奖解读材料）
1977年，这里被发现有时会出现猛烈的电子、正电子湮灭辐射——说明银心有一个致密天体，在猛烈撕扯周围的物质。
在射电波段，天文学家也识别出银心一个小而强的辐射源——人马座A*。得益于射电天文学在60年代发展出来的甚长基线干涉技术，人马座A*的位置可以被非常准确的确定出来。美国国立射电天文台的一组研究人员看了7年时间，发现人马座A*几乎一动不动，仿佛丝毫没有受到周围天体运动的扰动——说明它有着巨大的质量。
射电天文学家还绘制出银心星云的分布。他们发现虽然银心附近也有不少星云，但最靠近中心的地方，存在一个10光年大小的空腔，像是被吸尘器扫荡过一样。而空腔外尚存的星云，则被质量巨大的引力中心拉扯成长条状，有的可以被加速到每秒上千公里的高速。
丨银心附近的气体空腔（Genzel在1990年《科学美国人》文章配图）
时间来到1987年。为了推测中间这个超强引力中心是一个单独的超大质量天体（黑洞），还是由一团不怎么发光的致密天体（比如中子星）组成的密集星团，年仅35岁的Genzel放了个大招：他主笔的一篇大综述文章总结了很多不同人的观测，通过银心附近不同距离处天体的不同公转速度，确定了银心附近的质量分布（即不同半径内分别包含了多少质量）。
他发现，那个10光年空腔的内外，质量分布迥然不同。空腔外侧，看起来就是一大团恒星，质量分布按密集星团的理论规律改变；而进入空腔内侧，就逐渐从原来的规律「跑偏」，甚至到距离中心1光年以内的区域中，包含的质量几乎不再随半径改变，看起来像是没什么别的东西了，更像只有中心一个超大质量的点状天体。
丨银心附近的不同半径内所包含的质量随半径的变化，图中包含本文下一小节即将介绍的内容（马普地外所2018年进展报告）
这个思路非常棒。但这个超大质量中心天体究竟是不是黑洞，就要在接下来的几十年中再行详查了。
发现S2，盯住S2
从1991年开始，Genzel不断改进观测设备甚至打造自己的专属相机，以应对诸如由地球大气造成的「视宁度」[1]等问题。积累几年数据后，Genzel在1996年刊文《自然》杂志，报告了他的发现：他的团队找到银心附近的39颗恒星，最近的距离银心仅有0.1光年。
发现银心星团后，才是漫长等待的开始。
他在等这些恒星在中心天体巨大引力的掌控下，滑出一道道优雅的轨迹，让他可以根据这些恒星轨道，计算出中心天体的位置、质量等信息。
而其中肩负重任的那颗恒星，就是离银心最近的「S2」。
Genzel盯了十一年之后，S2星在2002年第一次来到了近心点。
这一次，距离不再以光年、光月、光日计算。这一次，S2到银心之间只有17光时，日地平均距离的125倍。
｜S2星的轨道示意图（诺贝尔奖委员会2020年物理学奖解读材料）
这次过近心点让Gezel算出中心天体的密度下限，他当时已经可以得出结论：它就是个黑洞。
虽然这个发现在30年后足以让他获得诺贝尔奖，但他并没有止步于此，S2的发现给Genzel带来更大的野心：他想用更高精度的望远镜测量它的轨道。
毕竟它的公转周期，只有16年，短于人的寿命——那么，再盯16年就是了。
从2003年开始，Genzel不断「鸟枪换炮」，以获得更高的天体定位精度，在2018年S2再次经过近心点时，Genzel可以精确测量出S2每隔一两天的位置变化！
｜S2星2018年过近心点时位置的逐日变化（诺贝尔奖委员会2020年物理学奖解读材料）
极高的测量精度让Genzel不止可以玩转简单的密度计算——他可以把广义相对论玩出花来了。
100年前，人们通过对太阳系内水星近日点进动的观测，对牛顿力学提出了质疑；又用太阳引力对背景恒星星光偏折的观测，宣告了广义相对论制霸物理学界时代的到来。
这俩效应，Genzel在两万多光年之外的S2星轨道中，都观测到了。
这是Genzel获得的强有力证据，这一来，对银心超大质量黑洞存在的验证、对广义相对论的验证，都可以说是板上钉钉了——钉得贼结实那种。
周遭佚事
篇幅所限，一些佚事未能展开。
比如，Genzel的父亲，Ludwig Genzel，也是个大物理学家，德国马普固体物理研究所的创始所长。他对红外干涉仪的发展做出了重要的贡献，间接奠定了其子Reinhard Genzel的成功。
比如，与Genzel一起拿诺奖的还有一个美国的女天文学家，Andrea Ghez。她稍晚于Genzel开始研究S2星，但也在大体同期使用美国一对10米口径的凯克望远镜，对S2星轨道进行了精确测量，其结果与Genzel形成很重要的互相印证，坐实了相关结论。
比如，Genzel用VLT发现过几次银心黑洞附近的「闪耀」。这种据推测为小块物质掉入黑洞引发的闪耀，发生在3-5个史瓦西半径处，几乎就是「贴脸」了。这种比S2还近的距离，进一步加强了银心存在超大质量黑洞这个结论的可靠性。
比如，从S2第二次抵达近心点到Genzel获奖的这两三年间，还发生了一些同样重要的事情：「美国激光干涉引力波天文台」（LIGO）探测到双黑洞并合产生的引力波；把横跨整个地球直径的数台望远镜连接起来的「视界面望远镜」（EHT）拍下了M87星系中心超大质量黑洞的光环；以及，霍金逝世。
▽▽▽
说回Genzel。他，出身学霸世家、年少即有大为；但他没有挥霍自己的资源，而是踏踏实实用一辈子，只看了一颗星、只做了一件事，最终无负于家尊、无负于时代。
当然，也好在刚好有那么一颗周期「仅」16年的S2星，能抵近到距离黑洞17光时的地方。用Genzel自己的话说，这算是天文学家的「大运」了。
11月6日腾讯科学WE大会，Reinhard Genzel将引领大家一探宇宙深幽。一起线上赴约吧！
[1]视宁度：大气湍流造成星光传播路径上大气折射率复杂分布、快速变化，影响望远镜成像的清晰度。视宁度即为衡量这种大气湍流效应的物理量。
作者
刘博洋
西澳大学射电天文博士
天文科普作家
诨号：“天文八卦学家”
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