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天文与引力 · 阅读路径
暗处有什么，可以问周围的星
二十世纪九十年代，两支团队用智利和夏威夷的红外望远镜，追踪银河中心附近的恒星。几年过去，恒星的路线明显转弯。Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 分别带领的团队沿着这些弯曲轨迹，称出了暗中心的质量：大约四百万个太阳，挤在很小的区域内。这个与射电源人马座 A* 对应的天体，成了银河系拥有超大质量黑洞的有力证据。
先得把挤在一起的星分清
地球与银河中心之间隔着许多尘埃，可见光大部分被挡住，红外光却更容易穿过。换到红外波段，仍有一道难关：许多恒星挤在一小片天空里，大气不停扰动，又把星光糊在一起。研究者必须认准同一颗星，才有办法把今年的位置与去年比较。
短曝光可以赶在大气明显改变前，留下图像中的细节；后来，自适应光学测量大气造成的扭曲，快速改变镜面形状，把图像纠正回来。智利的 ESO 望远镜和夏威夷的 Keck 望远镜，逐渐分清了靠近中心的恒星。模糊的一团亮光，变成了一年年可以追踪的点。
2002 年，一颗星急转了个弯
一颗恒星格外好用。欧洲团队称它 S2，美国团队称它 S0-2。它沿明显偏长的轨道运行，在远处慢慢走了几年，靠近中心时忽然加快。Schödel、Genzel 和同事在 2002 年报告了十年的位置观测，覆盖约三分之二圈，包含最近与最远的两次经过。当时拟合出的周期是 15.2 年。
那次分析给出的最近距离约为 17 光时，也就是光走十七小时的路程。要把这样一条轨道拉住，中心必须装着约 370 万个太阳质量，不确定度约为 150 万。这些是 2002 年当时的估计。短短一段急转特别有用：它告诉人们，吸引力指向哪里，又怎样随距离增强。
来源：[1]
轨道同时提供尺和钟
道理与行星绕太阳相通。在同样远的地方，中心质量越大，天体要跑得越快，才能保持相同轨道。知道轨道有多大、绕一圈用多久，就能推算中心质量。偏心轨道还让同一颗星跑过不同距离：近处快，远处慢，整条路线都须由同一个引力模型解释。
照片量到的是天空上的角度。把角度换成长度，需要知道银河中心有多远；轨道倾斜也会改变投影形状。光谱再提供沿视线的速度：恒星吸收线向红或向蓝移动，透露它正远离还是靠近我们。位置和速度合起来，才能恢复三维运动与距离尺度。Ghez 团队在 2008 年结合 Keck 的长期位置与速度观测，同时拟合中心质量和距离。允许中心天体本身运动时，结果约为 410 万个太阳质量，不确定度为 60 万；距离为 8.0 千秒差距，不确定度为 0.6 千秒差距，约合 2.6 万光年。若把中心天体固定不动，拟合值会改变；质量与距离是在这些假设下一起推得的。
来源：[3]
越靠近中心，质量越难藏在普通星团里
只看几颗星跑得快，可以猜测中心有一大团物质。最近距离进一步追问：这么多质量，究竟塞在多小的范围里？观测追到越近，容得下中心质量的空间就越小。若用一团暗星或恒星遗骸来解释，它们必须挤得极密，还得解释碰撞、互相扰动之后，怎样长期维持这种状态。
大质量与高度集中这两点合在一起，黑洞解释越来越有力。多颗星绕向同一中心，还能共同确定暗质量的位置。这套判断来自恒星多年的运动。它们的轨道离事件视界仍相当远；之后的相对论检验与视界尺度成像，分别把观察推进到新的问题与尺度。
等它再转回来，又多了一次机会
大约十六年后，S2 在 2018 年再次经过最近点。仪器已经进步，位置和光谱都测得更精细。GRAVITY 合作团队看见了相对论预言的额外红移，其中包含运动与引力造成的效应。同一颗星再次返回，让最初的称重工具变成了更细致的引力检验。
2020 年诺贝尔物理学奖表彰 Genzel 和 Ghez 发现银河中心超大质量致密天体的贡献。两支团队把一件看似朴素的事做到了极致：分清一颗星，跟它许多年，看它怎样转弯，再问什么样的质量才能拉住它。