撰文：Mark J. Reid（哈佛大學天體物理中心高級天文學家）
18世紀，英國的約翰·米歇爾（John Michell）和法國的拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）各自獨立地構思著一個奇妙的想法，他們想象著，如果將巨大的質量放在一個小得令人難以置信的空間裡將會發生什麼。他們推測，如果將這個思想實驗推向極限，那麼任何東西都將無法逃離引力的束縛，哪怕是光。米歇爾和拉普拉斯所想象的正是今天被我們稱之為黑洞的天體。
現在天文學家確信，當大質量恆星的核燃料被燃燒耗盡時，它們會坍縮到幾近虛無從而形成一個黑洞。如果說恆星坍縮成黑洞是一個令人震驚的概念，那麼一種更令人匪夷所思的可能性將是數百萬乃至數十億顆恆星物質聚集在一起形成一顆超大質量黑洞。然而天文學家現在已經確定超大質量黑洞確實存在，而且在宇宙的1000多億個星系中，他們在大多數星系裡都發現了超大質量黑洞。
我們是如何得出這個驚人的結論呢？這個故事要從20世紀中期開始講起，當時，天文學家將視野擴展到了人類眼睛所敏感的那段極為狹窄的波長範圍之外。他們發現了非常強的射電源，當確定了這些射電源的精確位置後，他們發現許多射電源都位於遙遠星系的中心。不久之後，為了更好地提高角分辨率，他們將不同的射電天線連接在一起。這些新的“干涉儀”為星系揭示出了一幅完全出乎意料的射電輻射圖景——這些射電波似乎並不是來自星系本身，而是來自處於星系周圍對稱位置上的兩個巨大的瓣狀結構。圖1展示了這樣的一個射電星系，它的名字是天鵝座A。射電瓣可以是宇宙中最大的結構之一，其大小超過星系本身的100倍。
○ 圖1：天鵝座A星系的射電圖像。佔據圖片中的顯著位置的是兩個巨大的射電輻射等離子“瓣”。寄主星系的光學圖像會小於兩個射電瓣之間的間隙。對一些射電瓣來說，驅動它們所需要的最低能量相當於1000萬顆恆星轉換成能量的總和。微弱的射電輻射痕跡連接著兩個射電瓣與中心的亮點，這個亮點是所有能量的來源。| 圖片來源：NRAO/AUI
巨大射電瓣的能量從何而來？它們在星系周圍的對稱性顯然表明了它們與星系之間存在某種密切的聯繫。在20世紀60年代，靈敏的射電干涉儀通過發現微弱的軌跡，或者說是“噴流”，將射電輻射源從射電瓣追溯到一個非常緻密的源頭，這個源頭精確地位於星系中心，從而證實了這種關係。這些發現促使射電天文學家增加干涉儀的尺寸，以便能以更高的分辨率觀測這些射電輻射。最終導致了甚長基線干涉測量（VLBI）技術的出現，在這項技術中，來自處於世界各地的天線的射電信號被結合起來，從而獲得了一個地球大小的望遠鏡才會有的角分辨率。VLBI觀測得到的射電圖像很快表明，以星系的標準衡量的話，射電星系中心的輻射源是“微小的”，甚至比太陽與離我們最近的恆星之間的距離還要小。
當天文學家計算驅動射電瓣所需要的能量時，他們大吃一驚——這個過程需要1000萬顆恆星將它們的質量按照愛因斯坦的著名的質能方程E = mc²，完全轉化成能量！然而，驅動了恆星的核反應甚至不能將恆星質量的1%轉化為能量。因此，我們需要超過10億顆恆星才能用核能來解釋射電瓣的能量，而且這些恆星必須全部寄居在VLBI觀測所顯示的那塊“微小”的體積內。基於這一系列的發現，天文學家開始思考另一種能源：超大質量黑洞。
鑑於超大質量黑洞很可能寄居在星系的中心，我們自然會想要檢查一下銀河系的中心是否就有這樣一個龐然大物。1974年，天文學家在銀河系中心發現了一個非常小的射電源，甚至不到1角秒（也就是1/3600度）。這個小小的射電源被命名為人馬座A*（Sgr A*），圖2右側的圖的中心處的點就是人馬座A*。早期的VLBI觀測結果表明，人馬座A*比我們的太陽系要小得多。然而，無論是在可見光還是紅外光，亦或是X射線波段的觀測下，都不能明確地證實這一點，人馬座A*的性質仍然撲朔迷離。
○ 圖2：銀河系中心區域的圖像。左邊是紅外圖像：恆星S2的軌道被覆蓋了，這一軌道被放大了100倍，其軌道週期為16年，這需要S2圍繞一個質量是太陽質量400萬倍的引力中心旋轉，圖中的箭頭表示就是一個看不見的引力中心。右邊顯示的是射電圖像：點狀射電源人馬座A*在圖像中心略微偏下的位置，恰好位於恆星環繞的引力中心。人馬座A*在星系中心基本上是靜止的，因此，它的質量一定是極其巨大的。 | 圖片來源：左: R. Genzel; 右: J.-H. Zhao
同時，高分辨率紅外攝像機的發展揭示出了位於銀河系中心的一個密集的恆星集團。在可見光波段下是看不見這些恆星的，因為可見光會被星際塵埃完全吸收掉。但是在紅外波段，10%的星光能不受阻撓地抵達我們的望遠鏡。天文學家已經對這些恆星的位置測量了20多年了，一個重要的發現將這些觀測推向了最高點。他們發現那些恆星沿著橢圓軌道運動，而這恰恰是引力軌道的一個特有的特徵。如今，我們已經完整地追蹤過其中一顆恆星的軌道，如圖2左側的圖像所示。
天文學家還追蹤過許多恆星的部分軌道，這些軌道都與繞著一個單一物體運行的軌道一致。據觀察，有兩顆恆星離銀河系中心的距離要小於太陽系的大小，按照星系的標準而言，這個距離是非常小的。在這個位置，引力非常的強，恆星必須以每秒近一萬公里的速度繞其運行——這個速度快到足以在一秒之內橫穿地球！這些測量結果都確切無疑地表明，
恆星在圍繞著一個看不見的、質量是太陽質量400萬倍的引力中心運轉。如此大的質量加上由恆星軌道所顯示出的微小的體積（從天文學角度看），意味著極高的密度。在如此高的密度下，很難想象有什麼物質不會坍縮成黑洞。剛剛描述的紅外波段的觀測結果與射電波段的觀測結果完美地互補了。為了識別出人馬座A*在紅外波段的對應物，射電源的位置需要被精確地轉換到紅外圖像上。一種將這兩種參照系綁定在一起的巧妙方法，它利用的是在射電和紅外波段都可見的光源。紅巨星就是一種理想的光源，它們在紅外波段非常明亮，而且還具有來自它們周圍分子所釋放出的強烈射電輻射。通過比對紅巨星在兩種波段中的位置，可以將人馬座A*的徑向位置以0.001角秒的精度轉換到紅外圖像上。這種方法將人馬座A*精確地定位在了被恆星環繞的引力中心的位置。
有多少恆星軌道內的那些看不見的物質能與人馬座A*射電源直接關聯起來？如果人馬座A*是一顆恆星，那麼它也會像被觀測到的那些其他恆星那樣，以超過每秒1萬公里的速度在強引力場中運動。只有當人馬座A*的質量極大時，它才會緩慢地移動。二十多年來，天文學家一直在用VLBI技術來監測人馬座A*的位置，他們發現在動態的銀河系中心，人馬座A*基本上是靜止的。具體說來，就是人馬座A*所固有的垂直於銀河系平面的運動速度小於每秒1公里，這比地球繞太陽公轉的速度慢30倍。人馬座A*基本上是靜止並固定在星系中心的，這意味著人馬座A*的質量超過太陽質量的400萬倍。
最近的VLBI觀測表明，人馬座A*的射電輻射尺寸小於水星軌道包含的範圍。將如此小的可用體積與人馬座A*的質量下限結合起來，就會得到讓人乍舌的高密度。這個密度小於黑洞極限的10倍。在如此極端的密度下，我們幾乎有了證明人馬座A*是一個超大質量黑洞的壓倒性證據。
這些發現因它們的直接和簡潔而顯得優雅。恆星的軌道為證明一個無法看見的超大質量中心提供了了然可見的證據。發現緻密的射電源人馬座A*恰好靜止地處於看不見的物質的位置，為超大質量黑洞提供了更加令人信服的證據。它們共同為展示確有超大質量黑洞一事提供了簡單而獨特的證明。米歇爾和拉普拉斯會驚訝地發現，他們關於黑洞的推測不僅是正確的，而且比他們想象的還要宏偉得多。
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