这可能是星系历史上最值得记录的画面。银河系中心的巨大黑洞将会吞噬撞向它的大团气体。
这可能是星系历史上最值得记录的画面。今年底或者明年初，银河系中心的巨大黑洞将会吞噬以每秒2000多公里的速度撞向它的大团气体。
黑洞美食
太空和地面上的大量望远镜将准备记录这一盛宴，这会唤醒长期休眠的银河系的引力作用——并揭示为何这个巨大的天体在几个世纪里一直处于半饥半饱的节食状态。新的细节可能也会解释每个重量级星系中心相似的超大质量黑洞莫名其妙的饮食习惯。
但是在天文学家试图回答这些问题之前，他们必须明确这团名为G2的气体的基本特性：它的来源、质量和轨道。科学家甚至不确定这团气体会在何时接近银河系中心的质量为400万颗太阳的黑洞，该黑洞被称为 “人马座A源”。
解开人马座A源的秘密可能需要十多年的努力，而G2遭遇黑洞只是一个开始。由于黑洞巨大的引力会吸收光，天文学家永远不能直接看到星系的心脏。不过当周围的气体和尘埃温度上升并旋入这个隐形的怪兽中时，天文学家可以通过研究那些微弱的辐射，来收集黑洞的自旋、质量和大小等信息。目前，研究人员正在安装一个敏感的射电望远镜阵列来记录黑洞阴影。
最初，研究人员预测G2会在6月与人马座A源发生致命的交会，届时两者之间最近的距离是海王星与太阳距离的7倍。后来其他数据预测其交会将发生在9月。现在，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的Andrea Ghez和同事的新分析显示，直到2014年3月，两者的距离才会最近。该团队是20年来监控银河系中心恒星运动的两个研究团队之一。在3月14日夏威夷凯克天文台20周年庆祝会的一个讲座上，Ghez介绍了这一发现。
“真正的问题是，G2是什么以及它究竟有多少质量会被黑洞吞噬？”Ghez说。
银河系中心的黑洞周围充满着螺旋的物质、扭曲的时空和各种射线
这一不确定性令人惊讶。因为从2011年德国马克斯·普朗克学会地外物理研究所的Stefan Gillessen和同事发现G2后，科学家一直使用地球上最大的两个望远镜对其进行近距离观测。然而，G2位于银河系最拥挤的区域，仅有微弱的红外放射源。Ghez称，“观测G2十分困难”。
最初，Gillessen和合作发现者认为，G2质量是地球的3倍，是一个孤独的气体云。在2012年9月11日的《自然通讯》杂志上，哈佛大学的Abraham Loeb和Ruth Murray-Clay建议，G2可能是一个环绕恒星的气体盘，类似于那些绕恒星运行、可产生行星的气体盘。其他恒星产生的紫外线辐射使其沸腾，黑洞的周期性引力将其拉长，由此产生了气体云，并带有一个天文学家之前观测到的尾巴。
不管怎样，随着离星系中心越来越近，G2应该变得更亮。然而，2008年到2012年期间记录的档案图像显示，G2保持着一致的亮度。Gillesen和同事将报告发表在了2月1日的《天体物理学杂志》上。
这一差异，促使加州理工学院的Nick Scoville和马克斯·普朗克学会地外物理研究所、慕尼黑大学天文台的Andreas Burkert提出了一个新模型。他们认为，该气团是由一个年轻的恒星发出的稳定气体云，该恒星自身的辐射对气团进行了电离。该团队称，这些特性解释了G2在靠近人马座A源时保持不变的亮度。
烟花秀
Loeb称，不管G2何时离黑洞最近，这一精彩的“烟花秀”可能都会分三步展开。
烟花秀第一场会发生在气团离黑洞最近时，人马座A源周期性的引力将其分解成条状或者液滴状。Loeb说，如果G2继续以超音速移动，会骤然释放X射线，在它进入黑洞气体更密集的区域时，会产生弓激波，并在最近位置处达到峰值。
第二场烟花秀会在1或2个月后发生，被分解的气体撞击到被称为“吸积盘”的结构上——这些旋转的物质会环绕并喂饱黑洞。Loeb指出，G2的冷气体撞到热的气盘上，可能产生X射线和无线电波。产生多少辐射取决于该气盘的密度、温度和广度——这些都是未知的。
加拿大圆周理论物理研究所的Avery Broderick称，得知气团到达气盘的时间会帮助科学家揭示银河系中心附近的环境。通过研究G2如何将角动量转移到其他的气体中，天体物理学家有望第一次推算出遥远空间中的气体或者等离子的黏度。
第三步，一旦气体倾倒在吸积盘上，G2的剩余物质被吞噬可能会延缓几个月到几十年的时间，包括X射线、红外线和无线电波等各个波长的辐射会伴随G2灭亡，尽管Loeb称，很难从中分辨出哪些是黑洞其他的吞噬过程产生的辐射。
一些天文学家担忧，即使从人马座A源的正常变化中梳理出G2对其产生的短期影响都将是很麻烦的。Ghez团队中的一员Leo Meyer，从去年春天开始思考这个问题，同时他和UCLA的金融学教授Francis Longstaff探讨如何利用和预测股票市场波动一样的时序分析法来预测人马座A源的活动。Meyer说：“现在的大问题是，G2是否会引起像股票市场崩溃这样的后果。”若如此，人马座A源可能会从一个异常暗淡的“灯泡”变成一个更贪婪的发光黑洞。
直到最近，天文学家开始担心，黑洞的自然变动可能会使这一转变很难被观测到。曾有研究显示，人马座A源会在两个状态间快速变化：安静的低频状态和快速波动的高频状态。这样两极分化的活动模式使天文学家很难观测到G2所带来的光亮。但是在对数据进一步分析后，Meyer和Longstaff总结认为，“低频状态”其实是凯克望远镜产生的杂音，人马座A源比天文学家认为的要简单很多。
新视界
即使G2通过了黑洞，气团产生的喧嚣消失了，银河系中心研究的狂热追随者们也会有很多可以观测的景象。
若一切按计划进行，两年后，4个被称为“活动视界望远镜”的射电望远镜网络会扩大天文学家的观测视野。该望远镜已经发现了人马座A源的新特性以及附近M87星系中心的大黑洞。阿塔卡玛毫米/亚毫米阵列（ALMA）的一些设备、智利阿塔卡玛沙漠上即将完工的射电阵列和10米的南极望远镜将会在2015年一起构成观测网络。该项目的负责人、麻省理工学院Haystack天文台和哈佛-史密森天体物理中心的Sheperd Doelman称，它们将会使“活动视界望远镜”的分辨率提高一倍，组成一个地球大小的虚拟射电望远镜，对人马座A源和吸积盘的观测将具有里程碑式的意义。
分辨率的大幅提高将会使望远镜制作出人马座A源附近区域的真实图像，并帮助寻找“黑洞阴影”。尽管即使光都不能逃脱黑洞，但进入黑洞的物质被吞噬后会被加热至几十亿度，并照亮黑洞周围的区域。大部分的辐射都进入到人马座A源，没有被吞噬的光会被引力歪曲成环状或者晕状，由此形成黑洞阴影。
通过人马座A源的物质可能会提供一些其他的重要线索。2018年，20年前被发现的明亮恒星S0-2会接近人马座A源，其距离大约为海王星到太阳距离的4倍，并按照爱因斯坦的理论运行。Ghez指出，这颗恒星释放出的光和在太空中的运行轨迹会用不同的方式测试相对论。但是由于银河系中心无数的恒星和气团都在牵扯S0-2，观测变得有些困难。Ghez说：“如果这个系统只有一个黑洞和一颗恒星，我们不会担心，但是银河系的中心简直是一团乱麻。”幸运的是，她的团队最近发现了另外一颗有着11.5年运行周期的中心恒星，Ghez和同事将发现发表在2012年10月5日的《科学》杂志上。尽管这颗恒星的亮度只有S0-2的1/16，它的出现将帮助区分人马座A源对其的引力影响和其他银河系中心的恒星产生的影响。
中国科学报 张冬冬
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