银心之旅
2.4 黑洞周围的精细结构
1974年，Martin Rees爵士提出，在某些星系的中央，可能存在有特大质量黑洞。同年，美国射电天文学家Bruce Balick和Robert Brown在我们银河系内发现了一个致密且随时变化的射电源[13]。90年代，ROSAT卫星从同一个源中探测到了X射线辐射[11]。现在，我们称这个源为人马A*。它就是银河系中心的精确位置。
在接下来的日子里，天文学家发现了围绕中心以极高速度作螺旋运动的物质。通过计算中心天体的质量和体积，人们得出结论：这里最可能的东西是一个有着260万倍太阳质量，半径与水星轨道相当的黑洞——正如Rees所说的那样。（见图3）
图3：质量与同银河系中心距离的关系，这是黑洞存在的一个证据[14]。
而这里发现的X射线爆发也是黑洞存在的强有力证据，因为黑洞的吸积过程是对这种现象的最佳解释。爆发的时间尺度也说明，中央天体的大小也符合黑洞的要求[15]。所以，理论中的黑洞很有可能是真实存在的。
现在，有很多研究组努力工作，以试图揭开中央巨大黑洞的秘密。其中最有名的两个小组是Andrea Ghez博士领导的加州大学洛杉矶分校（UCLA）银心小组和Reinhard Genzel领导的马克斯·普朗克研究所（MPI）小组。
使用地面和太空中最好的观测设备，他们为我们揭示了黑洞周围最精细的结构。也许最突出的特征就是纷乱的拱线了。它们被认为是同步加速辐射的结果[10]，勾勒出了弥漫在整个区域的磁场轮廓。
在银心的射电图象上，最明亮的卵形斑块就是人马A*的所在。在斑块内，是复杂的小旋涡（Mini-Spiral）结构[10]。小旋涡的中心就是银河系的真正中心。它所发出的紫外辐射来自被周围早型星电离的气体，其外面包围着厚厚的分子云——环核盘（Circumnuclear Disk）。小旋涡的内部还有棒状结构。但它的旋臂成因是从环核盘落入中心的物质，而不象银河系本身的旋臂那样是密度波。
我们距离银河系最中心的地方越来越近。现在，我们可以利用恒星作为中央黑洞性质的指示者。多亏有了自适应光学和光干涉技术，如今的望远镜已经有足够的能力来追踪这些恒星的运动。临近黑洞的恒星运动速度很快，这样天文学家们就可以在几年内确定他们的轨道。对开普勒定律的简单运用就可以确定中央黑洞的的位置。图4就是对这些恒星的最新观测[16]。图5则表现了对银心区域的整体认识。
图4：银河系最中心区域的恒星以及拟合的轨道。人马A*就在图中所绘的黄色五角星处（图片提供：UCLA Galactic Center Group）
图5：银河系中央区域的精细结构。摘自Genzel, R., Hollenbach,D., & Townes, C., 1994, Reports of Progress in Physics, 57, 417。[17]
至于黑洞本身，需要天文学家们使用射电和X射线望远镜来研究它。天文学家已经探测到热气体被拉向一小块区域——这正是黑洞存在的明证。但令人感到意外的是，银心黑洞并没有先前想象的那样活跃。探测到的弱辐射可能是黑洞外小小的吸积盘和喷流产生的[10]。黑洞的“燃料”由周围大质量恒星的星风和飘过的气体供应。近年来，Falcke和合作者对黑洞射电辐射偏振的观测表明，黑洞似乎只消耗可利用燃料的10000分之一[18]。与活动星系中央的黑洞相比，银心的黑洞似乎在“挨饿”（尽管也探测到了一些与黑洞吸积有关的爆发[11]）。
那么，为什么银心的黑洞看上去如此安静呢？对此有个很复杂的解释。麻省理工学院的天文学家Baganoff指出，如今黑洞似乎位于一个超新星遗迹中。这个超新星遗迹形成于几千年前，它产生的激波能将黑洞的“燃料”吹跑[9]。所以，在这颗超新星爆发前，黑洞可能更为活跃。或者，星系中心的黑洞只是在星系较年轻的时候比较活跃。
不同的观点也是存在的。2003年，Ghez领导的UCLA天文学家对银心附近的等离子体进行了首次红外观测。他们注意到，在红外波段，银心活动是持续不断的[16]。他们的观测结果说明，我们银河系中央的黑洞与其他星系中的一样活跃。但为什么仅仅能在红外波段观测到活动呢？为确定中央黑洞的特性，我们还需要更多观测资料。
对于经典史瓦西黑洞来说，事件视界的半径是2GM/c2。但MPI小组作出的红外观测表明，黑洞附近似乎存在一种准周期活动，周期短于17分钟[11]，则其对应的轨道半径要小于史瓦西黑洞的事件视界半径。这暗示银心的黑洞更可能是有自转的克尔黑洞，因为克尔黑洞的事件视界是同质量史瓦西黑洞的二分之一。
射电观测表明，银心的黑洞同样也在作自己的运动[14]。所以，对于它来说，银河系的动力学中心是比银河系正中心更好更合适的名字。
银心特大质量黑洞的形成机制是什么？一些理论家认为，大质量黑洞的形成在星系演化的过程中是很普遍的。也许是很多大质量恒星濒临死亡时一起坍缩，形成了大质量黑洞[16]。一种基于类星体光谱研究的理论认为，黑洞形成的必要条件是更早的恒星形成过程。但Weidinger和他的同事提出，黑洞形成可能早于恒星形成[19]。可以预计，在未来的一段时间内，这将是个热门的研究领域。
3 讨论
尽管天文学家们目前还只是研究了银河系中心区域的几部分，我们已经可以描绘出银河系中心的整体构造了。从外到内，依次是：一个（可能的）分子环、中央核球（或棒）、数不清的星团和纷乱的拱线、小旋涡、吸积盘，以及特大质量黑洞。
但今天，分子环的存在与否是不确定的。中央棒状结构的参数还没有被很好地测定。对银心区域恒星形成机制的研究尚不成熟。而中央黑洞活动微弱的原因依旧迷惑了很多人。不过，这些都没有关系。我们同样了解了很多。
现在我们知道，我们的银河系更可能是个棒旋星系而非经典的旋涡星系；我们已经获知了银心黑洞附近相当精细的结构，虽然对于它们的起源我们还不甚清楚。我们在不同波段探测到了黑洞附近的爆发。而我认为最值得一提的就是查明了最核心部分恒星的运动轨迹——这也是望远镜分辨率发展的一个体现。
最新的成果更新了我们对所处的星系中心区域的认识。与整个银河系相比，这块小小的空间却是我们曾经研究过的最复杂、最令人迷惑的地方。这里吸引了数以千计的研究人员为之投入自己的一切。当我使用搜索引擎为这篇文章查找资料的时候，我找到了无数关于这个领域的网站——银心研究的热潮确实被掀起了。而为更精确地研究银心，天文学家们需要更多的观测数据，当然还有国际合作。
4 展望未来
未来我们会得到什么新的东西？银河中心区域恒星的命运是什么？那些结构的演化机理又是什么？为回答这些问题，我们需要光学干涉仪和太空技术的帮助。
今天，UCLA小组和MPI小组分别在使用凯克望远镜和欧洲南方天文台的甚大望远镜，它们都可以通过汇集几架望远镜收集的星光来提高分辩率。而NASA的斯皮策空间望远镜也已经正式投入使用。（实际上，斯皮策望远镜的主要观测计划之一GLIMPSE就是专为研究银河系内部区域而设立的[20]。）轨道上目前还有两架X射线望远镜：NASA的钱德拉X射线天文台和欧洲空间局的XMM-牛顿望远镜。今后几年内，还有几颗高能天文卫星准备发射。这些设备在今后对银河系中心区域的研究中都将发挥重大作用。
对我们银河系中心的研究可以帮助我们认识其他星系，因为银河系本身就是星系的一个例子；而反过来，由于观测精度的提高，使我们也可以通过研究其他星系的中心来获取关于银河系中心性质的信息。
也许就在几年之后，我们会以一种全新的视角审视银河系。教科书将会改变。人们的观点也同样会变化。到那时，当天文学家们回首他们花费在银心研究的无数时光时，他们会感到欣慰，因为他们解决了一个难题，一个延续千百年的难题。
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[17] Journey to the Center of the Galaxy - Size Scales. http://www.astro.ucla.edu/~tanner
[18] Knight, W. MilkyWay’s black hole on starvation diet. NewScientist.com news service, November 2, 2002.
[19] Haiman, Z. Caught in the Act?. Nature, Vol. 430, 979-980, August 26, 2004.
[20] Waller, W. Legacies Await. Sky and Telescope, Vol.105, No.2, 46-47, (2003).
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