什麼是「人馬座A*」？

（原文參考：http://www.eso.org/public/usa/outreach/first-picture-of-a-black-hole/blog/）

「人馬座A*」是銀河系中心超大質量黑洞的名字。

「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope，以下簡稱EHT）及「全球毫米波特長基線陣列」（Global mm-VLBI Array，簡稱GMVA）最近開始觀測銀河系中心超大質量黑洞，廣受全球關注。這些觀測預期將帶來出色的科學成果，提升對黑洞的了解，對空間和時間的理論有幫助。不過倘若時光倒轉20年，當時的天文學家甚至連人馬座A*是不是黑洞的棲身處所都還不能確定──先一起回顧這趟來時路。

早在1974年時，英國天文學家馬丁·里斯男爵提出看法認為超大質量黑洞有可能住在一些星系的中心，譬如像是藏有活躍星系核的星系。「活躍星系核」的英文縮寫為AGN，窩藏著AGN的星系在很多波段裡都非常亮，亮度達三百億個太陽，噴發很強的帶電粒子噴流。馬丁·里斯了解到，造成這些高能量劇烈活動的，可能是黑洞；如今這已成為獲確認的事實。

也在同一年，Bruce Balick和Robert Brown這兩位美國國家電波天文臺的天文學家發現了一個緻密電波源，位置就在我們銀河系的正中心，同時它也是銀心（銀河系中心簡稱銀心）在電波波段裡最明亮的特徵，然而體積卻相當小。

當時，兩位天文學家認為這個緻密電波源看起來像個黯淡的類星體。所謂類星體，也是活躍星系核的其中一種，但在遙遠／早期宇宙比較常見──這個天體的位置卻近得差不多像你我家中的陽台，離地球只有2萬6千光年。他們給它取的綽號叫做「人馬座A*」（英文為Sagittarius A* 或縮寫為Sgr A*）；位置就在天空中的人馬座。特別的 * 符號來自於原子物理，因為原子的激發態是以 * 星號表示──而「人馬座A*」也確實是令人激動的發現。

這是錢卓X射線望遠鏡拍到的人馬座A*，圖中以橢圓形標出「回光現象」。Credit: NASA/CXC/Caltech/M.Muno et al.

此後20年，天文學家從不同波段研究這個古怪的天體，嘗試一片片把拼圖完整組成。隨著科技進展，影像銳利度越來越高，觀測上取得了這個天體周圍的擾動，顯示出氣體和恆星以驚人速度環繞此天體在轉，速度最高達到每小時500萬公里，說明此天體一定是體積很小而質量很大，有很強的重力。到了1998年，錢卓X射線望遠鏡發射升空，之後不久，望遠鏡即發現人馬座A*發出X射線輻射，也就是物質越界進入事件視界的「不歸路」禁區而遭黑洞吞噬前，從Ｘ射線波段發出的最後一聲瀕死之鳴。 x 射線可以穿透覆蓋在那區域的濃厚氣體塵埃雲層，提供證據顯示那裡藏有黑洞。

從1990年代中期，德國和美國研究團隊各自開始潛心追蹤人馬座A* 周圍恆星軌道。美國團隊是由加州大學洛杉磯分校 Andrea Ghez 主導，以凱克望遠鏡測量了銀心附近數千個恆星的位置。德國團隊用的則是歐南天文臺的VLT甚大望遠鏡，精確測量了在人馬座A* 周圍共28 顆以高速環繞它的恆星軌道。以一絲不苟態度投入人馬座A* 研究的兩組團隊，給出了一張前所未有的人馬座A* 附近區域詳盡地圖，得以在2008 年時徹底證實：人馬座A* 確實藏有一黑洞。

主導德國團隊的天文學者，馬克斯普朗克地外物理研究所所長Reinhard Genzel表示，「毫無疑問地，我們長期來的研究，給出了一個最壯觀的成果，是超大質量黑洞確實存在之最佳證據。藉由銀心附近恆星軌道顯示而知四百萬太陽質量聚集於中心位置必然是一黑洞，合理性上不需再懷疑。」

這個縮時影片是將歷時16年所收集圖像予以重組，且把恆星真正運動速度加快3,200萬倍後而得。影片版權：ESO/ R.Genzel and S. Gillessen

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多年來，我們得知得越來越多人馬座A* 的種種，持續不斷地研究也揭露出人馬座A*更多秘密。目前為止，我們知道它質量是400萬倍太陽質量，然而直徑大約只有4000萬公里這麼小，這約略相當於水星到太陽的距離。此外，以一個黑洞來說，它也算相當的安靜──並未發出大量輻射，這表示它不常吞下大量物質。然而，天文學家已經拍攝到較普通輻射亮度高幾百倍，極為耀眼奪目的X射線閃焰。一般認為這些閃焰的一些成因可能是，正要掉入黑洞中並裂成好幾塊的一個小行星，或是在正要流入黑洞的氣體內糾纏的磁力線。天文學家還追踪一個代號叫做G2的氣體塵埃雲，其軌道正圍繞著人馬座A* 轉。2014年，G2雲的軌道在最靠近黑洞時，被天文學家拍下了影像。有了這些，再加上其他觀測結果，更增加了我們對這個黑洞及其周圍動盪環境的認識。

合成圖上標出G2雲從2006到2014年9月的位置，顯示G2雲逐年在朝銀河系中心黑洞（以紅色十字標示）靠近。據歐南天文台VLT甚大望遠鏡觀測顯示，G2雲2014年抵達軌道離黑洞最近點之後，並未被黑洞扯碎，而是飛掠後離開了，本身仍然保有緻密的結構。Credit: ESO/A. Eckart

然而，關於我們銀河系中心的這頭宇宙怪獸，以及其他黑洞的奧秘，終究還有疑團有待釐清。

人馬座A *已協助科學家鞏固「在大星系核心皆擁有超大質量黑洞」的想法，但天文學家仍然苦思未得其解：究竟這些超大質量黑洞如何形成？會如何影響其宿主星系呢？

GMVA和EHT團隊，運用「將世界各地望遠鏡連結在一起」的特長基線干涉技術，獲取人馬座A*更精細影像，除了探測黑洞周圍混亂動蕩的區域以外，天文學家還要尋求的是這組拼圖裡最後那仍然缺失的一片──觀測到「事件視界」。這是圍繞在奇異點外的一圈範圍，物質和能量一旦越過此邊界，便再也無法擺脫黑洞重力的挟持，永遠不能逃脫，名符其實「踏上不歸路」。

EHT和GMVA團隊正準備要觀測事件視界的陰影，這麼一來，不僅可顯示出事件視界的存在，而且會為測量其形狀和大小提供前所未有的方式，驗證愛因斯坦的廣義相對論。當然，這並不是那麼容易辦的一件事…

以上，是第六篇介紹EHT和GMVA相關計畫的短文。下一次，我們將討論看有哪些難題在「為超大質量黑洞成像」之前，必須克服。