[비즈한국] 我們的銀河系中心隱藏著一個巨大的黑洞。這已被認為是眾所周知的常識。雖然關於超大質量黑洞的準確起源，以及如此巨大的黑洞團塊究竟是如何在銀河系中心形成的，依然是個謎，但至少在它是一個黑洞這一點上，似乎沒有太大的分歧。然而，有人提出，它的本體可能完全是另一種存在。如果銀河系中心不是黑洞，那究竟是什麼呢？
最早確定銀河系中心黑洞存在的是天文學家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）和賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）。他們從20世紀90年代初開始，就利用凱克望遠鏡（Keck Telescope）對準銀河系中心進行觀測。結果發現，在只有幾光年寬的狹窄區域內，銀河系中心的恆星正以極快的速度繞行。最典型的是，他們追蹤了一顆被稱為S2的恆星長達數十年，發現該星正以極快的速度畫出一條巨大的歪斜橢圓軌道。顯然，中心似乎有什麼東西憑藉強大的引力束縛住了這顆恆星。然而，在原本應該有東西存在的地方，卻沒有任何光芒射出。不向外發光卻擁有強大引力的存在，人們認為這就是傳說中的黑洞。
根據銀河系中心恆星執行軌道推斷，銀河系中心人馬座A*（Sagittarius A*）黑洞的質量約為太陽的400萬倍。除了恆星外，還能觀測到正在快速旋轉並解體的所謂G型氣體雲，這也證明了銀河系中心隱藏著一個非常沉重且強大的存在。蓋茲和根策爾因展示了銀河系中心隱藏著的可怕怪物的最直接證據，而獲得了2020年諾貝爾物理學獎。
他們之所以能獲得諾貝爾獎，背後的背景是事件視界望遠鏡（EHT）在該事件發生前後的觀測成功。他們動用了遍佈地球的射電望遠鏡，接連捕捉到了M87橢圓星系和銀河系中心黑洞的光影。其樣貌與愛因斯坦相對論推匯出的結果完全一致。這是使銀河系中心隱藏著巨大黑洞成為事實上的主流理論的最確鑿證據。
然而，唯獨關於銀河系中心，爭議依然不斷。因為銀河系中心的黑洞異常平靜。在其他星系中，中心黑洞會噴射出狂暴的X射線和伽馬射線，炫耀著自己的存在感。對於這種活動性強的黑洞，學術界沒有太大異議。但銀河系中心的黑洞卻完全不表現出活動性。此外，人們曾期待當氣體雲經過黑洞附近時，會因完全被破壞而捕捉到強烈的爆炸光芒，但結果卻是平靜地經過，沒有發生特別的事情。甚至連銀河系中心的黑洞是否曾經暴烈過都無法確定。雖然在過去幾年裡捕捉到了幾次大小不一的X射線耀斑，但與其它更巨大的黑洞相比，它顯得太過於安靜和膽小了。
然而，最近在透過蓋亞（Gaia）觀測資料精確繪製出的銀河系恆星距離和速度圖中，捕捉到了意想不到的現象。引力是隨著距離變遠而減弱的力。通常星系即使遠離中心，恆星的速度也不會大幅下降，而是保持平坦。而這種引力較弱的星系外圍恆星速度並未大幅減慢的現象，被視為暗物質存在的最重要證據，即表明銀河系外圍廣泛分佈著看不見的質量。這種現象在銀河系中也是眾所周知的。
但在蓋亞進行更精確的觀測後，這一常識被動搖了。2023年，天文學家發現銀河系外圍的恆星移動速度比預想的要慢。繪製展示恆星軌道速度隨距離中心遠近而變化的“速度曲線”時，曲線並沒有向外延伸保持平坦，而是呈現出輕微下沉的姿態。這種現象從距離銀河系中心5.2萬光年的位置（即銀河系的實際外部邊界）開始出現，銀河系外圍的恆星移動速度比原先預想的慢了30km/s。這種令人困惑的景象甚至導致人們懷疑銀河系中的暗物質比預想的要少，或者分佈方式完全不同。
綜上所述，最近透過蓋亞觀測確認的星系外圍恆星速度下降問題，意味著銀河系實際上並沒有我們想象的那麼重，引力也沒有那麼強。那麼，我們究竟誤解了什麼，才把銀河系想象成一個更強大、更沉重的存在呢？正是這一點，使得本次研究開始懷疑那個被認為必然存在於銀河系中心的黑洞的真面目。
這項研究認為，其真面目可能並非一個質量集中於一點的沉重黑洞，而僅僅是由所謂“費米子”的極輕亞原子粒子以高密度聚集在一起的團塊。費米子是非常輕的粒子，且與其它亞原子粒子一樣遵循泡利不相容原理。兩個以上的粒子不能共存於相同的量子狀態，因此會產生相互排斥的力量。最終，費米子團塊不會坍縮到所謂的奇點。
在此，天文學家假設了當前被列為暗物質組成粒子最有力的候選者——“暗費米子”。它們像暗物質一樣透過引力相互作用。因此，它們不會簡單地散佈在宇宙空間中，而是可能會以高密度聚集在引力最強的銀河系中心。因此，繞其執行的恆星與在普通黑洞旁執行時的情況表現得非常相似。但由於這種費米子團塊實際上不是擁有事件視界的黑洞，因此可能不會發生恆星和氣體雲本身被撕裂和解體的破壞性事件。這與我們迄今為止觀測到的、銀河系中心區域那個“某種東西”的特徵非常吻合——既非常平靜，又能強有力地束縛住周圍的恆星。
研究在此嘗試了一種非常簡單的統計分析。將銀河系中心“某種東西”的身份設定為黑洞和費米子團塊兩種情況，比較了哪一種能更好地復現實際觀測到的景象。他們假設費米子的能級為56keV和300keV兩種，能量較大的費米子傾向於以更高的密度聚集在中心。但在兩種情況下，其表現與中心存在黑洞時並無差異，幾乎完美地表現了銀河系內恆星的運動。
然而，現在還有一個重要的問題。讓我們相信銀河系中心存在超大質量黑洞的證據，不僅僅是銀河系中心恆星的快速運動和軌道。我們不是已經透過實際照片確認了它的存在了嗎？那就是事件視界望遠鏡捕捉到的光環。那麼，費米子團塊能解釋那張著名的黑洞肖像嗎？
令人驚訝的是，本次研究主張費米子團塊也可以解釋同樣的景象。即使是超高密度的費米子團塊，也和黑洞一樣能夠折射周圍的光線，並可以模仿我們所知的著名黑洞光影形態。
結論上講，總結這次主張就是：我們無法區分銀河系中心的“某種東西”究竟是黑洞還是費米子團塊。僅憑作為黑洞最有力的觀測證據——周圍恆星的軌道，以及事件視界望遠鏡拍攝的光影，無法排除費米子團塊的可能性。
當然，這次分析存在一個致命的侷限性。最終，這項主張也是建立在假設滿足我們已知的兩種觀測特徵的虛擬費米子團塊的基礎上，因此能夠很好地解釋觀測結果或許是理所當然的。但這種批判也同樣適用於“銀河系中心存在黑洞”的主張。最終，我們從未直接見過黑洞。我們只是因為看到了各種在假設存在黑洞時可能出現的現象，才理所當然地認為中心一定有黑洞。
那麼，有沒有辦法區分它是不是黑洞呢？只剩下一個辦法了。那就是確認僅在黑洞奇點周圍發生的“光子環”。我們不僅需要看到黑洞周圍的吸積盤和圓形光影，還應該能看到位於事件視界邊界正前方的光子環。由於黑洞周圍的引力太強，光子不僅會在黑洞周圍彎曲，甚至會像迴旋鏢一樣沿著出發的方向返回，導致光線被極端地堆積。這樣，在黑洞事件視界的緊鄰處應該會形成一個又小又清晰的光子環。其大小僅為事件視界的1.5倍。事件視界望遠鏡觀測中看到的“紅色甜甜圈”看到的是比那更外圍的區域。光子環實際上相當於我們在黑洞周圍能實際看到的最後一道光線邊界。
一些天文學家主張在過去的事件視界望遠鏡觀測中已經看到了這個光子環，但目前仍有很多分歧。目前來看，能作為判斷銀河系中心的存在究竟是黑洞還是其它什麼的唯一線索，就只有這個光子環了。未來隨著更多射電望遠鏡的投入使用以及更強大的事件視界望遠鏡的完善，或許就能得出結論。
出人意料的是，“銀河系中心一定隱藏著巨大的黑洞”這一命題並不總是正確的。相當多的星系中心並沒有表現出明顯的黑洞徵兆。往高了看，近30%的星系似乎在沒有中心黑洞的情況下，僅僅依靠自身強大的引力束縛住了恆星。而且實際上，黑洞的質量與整個星系的質量相比，連1000分之一都不到，是一個非常微小的水平。與黑洞相比，星系要沉重得多。因此，即使銀河系中沒有黑洞，也一點都不奇怪。
雖然目前還不知道結論，但一想到銀河系中心可能沒有巨大的黑洞，不知為何銀河系顯得有些平淡了。反正黑洞本身也看不見，所以無論有沒有黑洞，我們看到的銀河系景觀都不會有任何變化。
參考資料
https://academic.oup.com/mnras/article/546/1/staf1854/8431112?login=false
作者池雄培（音譯）是誰？熱愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，同時進行演講和寫作等各種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光閃耀的宇宙科學家們》、《雖無法觸及卻可以瞭解》、《看向宇宙時浮現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正航行於宇宙的搭車客指南》、《我為何殺了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphic》等書。