[비즈한국] 我们的银河系中心隐藏着一个巨大的黑洞。这已被认为是众所周知的常识。虽然关于超大质量黑洞的准确起源，以及如此巨大的黑洞团块究竟是如何在银河系中心形成的，依然是个谜，但至少在它是一个黑洞这一点上，似乎没有太大的分歧。然而，有人提出，它的本体可能完全是另一种存在。如果银河系中心不是黑洞，那究竟是什么呢？
最早确定银河系中心黑洞存在的是天文学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）和赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）。他们从20世纪90年代初开始，就利用凯克望远镜（Keck Telescope）对准银河系中心进行观测。结果发现，在只有几光年宽的狭窄区域内，银河系中心的恒星正以极快的速度绕行。最典型的是，他们追踪了一颗被称为S2的恒星长达数十年，发现该星正以极快的速度画出一条巨大的歪斜椭圆轨道。显然，中心似乎有什么东西凭借强大的引力束缚住了这颗恒星。然而，在原本应该有东西存在的地方，却没有任何光芒射出。不向外发光却拥有强大引力的存在，人们认为这就是传说中的黑洞。
根据银河系中心恒星运行轨道推断，银河系中心人马座A*（Sagittarius A*）黑洞的质量约为太阳的400万倍。除了恒星外，还能观测到正在快速旋转并解体的所谓G型气体云，这也证明了银河系中心隐藏着一个非常沉重且强大的存在。盖兹和根策尔因展示了银河系中心隐藏着的可怕怪物的最直接证据，而获得了2020年诺贝尔物理学奖。
他们之所以能获得诺贝尔奖，背后的背景是事件视界望远镜（EHT）在该事件发生前后的观测成功。他们动用了遍布地球的射电望远镜，接连捕捉到了M87椭圆星系和银河系中心黑洞的光影。其样貌与爱因斯坦相对论推导出的结果完全一致。这是使银河系中心隐藏着巨大黑洞成为事实上的主流理论的最确凿证据。
然而，唯独关于银河系中心，争议依然不断。因为银河系中心的黑洞异常平静。在其他星系中，中心黑洞会喷射出狂暴的X射线和伽马射线，炫耀着自己的存在感。对于这种活动性强的黑洞，学术界没有太大异议。但银河系中心的黑洞却完全不表现出活动性。此外，人们曾期待当气体云经过黑洞附近时，会因完全被破坏而捕捉到强烈的爆炸光芒，但结果却是平静地经过，没有发生特别的事情。甚至连银河系中心的黑洞是否曾经暴烈过都无法确定。虽然在过去几年里捕捉到了几次大小不一的X射线耀斑，但与其它更巨大的黑洞相比，它显得太过于安静和胆小了。
然而，最近在通过盖亚（Gaia）观测数据精确绘制出的银河系恒星距离和速度图中，捕捉到了意想不到的现象。引力是随着距离变远而减弱的力。通常星系即使远离中心，恒星的速度也不会大幅下降，而是保持平坦。而这种引力较弱的星系外围恒星速度并未大幅减慢的现象，被视为暗物质存在的最重要证据，即表明银河系外围广泛分布着看不见的质量。这种现象在银河系中也是众所周知的。
但在盖亚进行更精确的观测后，这一常识被动摇了。2023年，天文学家发现银河系外围的恒星移动速度比预想的要慢。绘制展示恒星轨道速度随距离中心远近而变化的“速度曲线”时，曲线并没有向外延伸保持平坦，而是呈现出轻微下沉的姿态。这种现象从距离银河系中心5.2万光年的位置（即银河系的实际外部边界）开始出现，银河系外围的恒星移动速度比原先预想的慢了30km/s。这种令人困惑的景象甚至导致人们怀疑银河系中的暗物质比预想的要少，或者分布方式完全不同。
综上所述，最近通过盖亚观测确认的星系外围恒星速度下降问题，意味着银河系实际上并没有我们想象的那么重，引力也没有那么强。那么，我们究竟误解了什么，才把银河系想象成一个更强大、更沉重的存在呢？正是这一点，使得本次研究开始怀疑那个被认为必然存在于银河系中心的黑洞的真面目。
这项研究认为，其真面目可能并非一个质量集中于一点的沉重黑洞，而仅仅是由所谓“费米子”的极轻亚原子粒子以高密度聚集在一起的团块。费米子是非常轻的粒子，且与其它亚原子粒子一样遵循泡利不相容原理。两个以上的粒子不能共存于相同的量子状态，因此会产生相互排斥的力量。最终，费米子团块不会坍缩到所谓的奇点。
在此，天文学家假设了当前被列为暗物质组成粒子最有力的候选者——“暗费米子”。它们像暗物质一样通过引力相互作用。因此，它们不会简单地散布在宇宙空间中，而是可能会以高密度聚集在引力最强的银河系中心。因此，绕其运行的恒星与在普通黑洞旁运行时的情况表现得非常相似。但由于这种费米子团块实际上不是拥有事件视界的黑洞，因此可能不会发生恒星和气体云本身被撕裂和解体的破坏性事件。这与我们迄今为止观测到的、银河系中心区域那个“某种东西”的特征非常吻合——既非常平静，又能强有力地束缚住周围的恒星。
研究在此尝试了一种非常简单的统计分析。将银河系中心“某种东西”的身份设定为黑洞和费米子团块两种情况，比较了哪一种能更好地复现实际观测到的景象。他们假设费米子的能级为56keV和300keV两种，能量较大的费米子倾向于以更高的密度聚集在中心。但在两种情况下，其表现与中心存在黑洞时并无差异，几乎完美地表现了银河系内恒星的运动。
然而，现在还有一个重要的问题。让我们相信银河系中心存在超大质量黑洞的证据，不仅仅是银河系中心恒星的快速运动和轨道。我们不是已经通过实际照片确认了它的存在了吗？那就是事件视界望远镜捕捉到的光环。那么，费米子团块能解释那张著名的黑洞肖像吗？
令人惊讶的是，本次研究主张费米子团块也可以解释同样的景象。即使是超高密度的费米子团块，也和黑洞一样能够折射周围的光线，并可以模仿我们所知的著名黑洞光影形态。
结论上讲，总结这次主张就是：我们无法区分银河系中心的“某种东西”究竟是黑洞还是费米子团块。仅凭作为黑洞最有力的观测证据——周围恒星的轨道，以及事件视界望远镜拍摄的光影，无法排除费米子团块的可能性。
当然，这次分析存在一个致命的局限性。最终，这项主张也是建立在假设满足我们已知的两种观测特征的虚拟费米子团块的基础上，因此能够很好地解释观测结果或许是理所当然的。但这种批判也同样适用于“银河系中心存在黑洞”的主张。最终，我们从未直接见过黑洞。我们只是因为看到了各种在假设存在黑洞时可能出现的现象，才理所当然地认为中心一定有黑洞。
那么，有没有办法区分它是不是黑洞呢？只剩下一个办法了。那就是确认仅在黑洞奇点周围发生的“光子环”。我们不仅需要看到黑洞周围的吸积盘和圆形光影，还应该能看到位于事件视界边界正前方的光子环。由于黑洞周围的引力太强，光子不仅会在黑洞周围弯曲，甚至会像回旋镖一样沿着出发的方向返回，导致光线被极端地堆积。这样，在黑洞事件视界的紧邻处应该会形成一个又小又清晰的光子环。其大小仅为事件视界的1.5倍。事件视界望远镜观测中看到的“红色甜甜圈”看到的是比那更外围的区域。光子环实际上相当于我们在黑洞周围能实际看到的最后一道光线边界。
一些天文学家主张在过去的事件视界望远镜观测中已经看到了这个光子环，但目前仍有很多分歧。目前来看，能作为判断银河系中心的存在究竟是黑洞还是其它什么的唯一线索，就只有这个光子环了。未来随着更多射电望远镜的投入使用以及更强大的事件视界望远镜的完善，或许就能得出结论。
出人意料的是，“银河系中心一定隐藏着巨大的黑洞”这一命题并不总是正确的。相当多的星系中心并没有表现出明显的黑洞征兆。往高了看，近30%的星系似乎在没有中心黑洞的情况下，仅仅依靠自身强大的引力束缚住了恒星。而且实际上，黑洞的质量与整个星系的质量相比，连1000分之一都不到，是一个非常微小的水平。与黑洞相比，星系要沉重得多。因此，即使银河系中没有黑洞，也一点都不奇怪。
虽然目前还不知道结论，但一想到银河系中心可能没有巨大的黑洞，不知为何银河系显得有些平淡了。反正黑洞本身也看不见，所以无论有没有黑洞，我们看到的银河系景观都不会有任何变化。
参考资料
https://academic.oup.com/mnras/article/546/1/staf1854/8431112?login=false
作者池雄培（音译）是谁？热爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，同时进行演讲和写作等各种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光闪耀的宇宙科学家们》、《虽无法触及却可以了解》、《看向宇宙时浮现的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正航行于宇宙的搭车客指南》、《我为何杀了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphic》等书。