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黑洞|5分钟读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密( 四 )


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要观测遥远的恒星 ， 就要用到世界上最大的望远镜——在天文学中 ， 越大越好是一条绝对的真理 。德国天文学家Reinhard Genzel和他的团队最初使用的是新技术望远镜（NTT） ， 位于智利的拉西拉天文台 。后来 ， 他们将观测转移到位于帕拉纳尔山（也是在智利）的甚大望远镜（VLT）上 。甚大望远镜拥有4台8.2米口径的望远镜 ， 相当于新技术望远镜（3.58米）的两倍以上 ， 而这些望远镜的组合等效口径可达16米 。
在美国 ， Andrea Ghez和她的研究团队使用了位于夏威夷莫纳克亚山的凯克天文台 。该天文台拥有两座口径约10米的望远镜 ， 是目前世界上最大的望远镜之一 。每面镜片都像一个蜂巢 ， 由36个六边形的部分组成 ， 可以单独控制 ， 以更好地聚焦星光 。
星星指路
黑洞|5分钟读懂2020诺贝尔物理学奖：黑洞和银河系最黑暗的秘密
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这些恒星的轨道表明 ， 在银河系的中心区域 ， 某种无形而沉重的东西控制着它们的轨道 。
最靠近银河系中心的恒星
这两颗恒星的轨道是迄今为止最令人信服的证据 ， 证明在人马座A*中隐藏着一个超大质量黑洞 。据估计 ， 这个黑洞的质量约为太阳质量的400万倍 ， 而所有这些质量都挤压在一个不比太阳系大多少的区域内 。
左上：天文学家测量了银河系中心人马座A*附近一些恒星的轨道；
右上：对其中一颗恒星S2（或称S-02） ， 天文学家成功绘制了其完整的轨道 ， 发现其围绕银河系中心的周期不到16年 。该恒星最靠近人马座A*时 ， 距离仅为大约17光时（100亿公里以上） 。
左下：S2的径向速度会随着其接近人马座A*而增加 ， 并随其在椭圆形轨道上的运行而逐渐下降 。径向速度是恒星速度在我们视线上的分量 。
右下：在最靠近人马座A*（2002年和2018年）时 ， 恒星S2的速度达到最高的每秒7000公里
无论望远镜有多大 ， 它们所能分辨的细节总是有限的 ， 因为在我们上方 ， 是将近100千米厚的大气层 。望远镜上方的大气泡往往比周围环境的温度更高或更低 ， 它们就像透镜 ， 能使光线在到达望远镜镜面时发生折射 ， 从而扭曲了光波 。这就是星星闪烁的原因 ， 也是星空图像模糊的原因 。
自适应光学技术的出现对天文观测的改善至关重要 。现在 ， 望远镜上都安装了一个额外的薄镜片 ， 用以补偿空气的湍流 ， 并校正扭曲的图像 。
近三十年来 ， Reinhard Genzel和Andrea Ghez一直在银河系中心的恒星群中追踪某些恒星 。他们继续开发和该进这项技术 ， 采用更灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学元件 ， 使图像分辨率提高了1000倍以上 。现在 ， 他们可以更精确地确定恒星的位置 ， 并在夜间跟踪它们 。
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研究人员追踪了这群恒星中30颗最亮的恒星 。这些恒星在距离中心一个“光月”的半径内移动得最快 。另一方面 ， 这一区域以外的恒星则更有序地沿着它们的椭圆轨道运行（图4） 。
一颗被称为S2（或S-O2）的恒星 ， 在不到16年的时间内绕银河系中心运行了一周 。这是非常短的时间 ， 因此天文学家能够绘制出它的整个轨道 。我们可以拿太阳来比较 ， 太阳绕银河系中心转一圈需要超过2亿年的时间；换言之 ， 当我们目前这一圈刚刚开始时 ， 恐龙还在地球上行走 。
理论与观测相辅相成
两个小组的测量结果非常一致 ， 他们得出的结论是：银河系中心的黑洞质量应该相当于400万倍太阳质量 ， 被挤压到一个太阳系大小的区域内 。
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