天文学家们呈现了迄今为止对真实宇宙怪物的最佳观测：人马座 A*，一个潜伏在银河系中心的超大质量黑洞——或者更确切地说，是对围绕它运行的热气体团的观测，这些气体团在湮灭的边缘摇摇欲坠。这些结果揭示了我们星系最大黑洞的新的、以前未知的特性，并为更深入地理解引力指明了方向。
黑洞，像所有真正可怕的怪物一样，几乎无法理解，更不用说看到。即使爱因斯坦也怀疑它们的存在，尽管他的广义相对论预测它们必然存在。它们是引力束缚的结，非常紧密，以至于其中的时空溶解——幽灵般的阴影，贪婪地吞噬着光本身。然而，它们可以被间接地瞥见，就像你眼角出现的幻影。最壮观的是，当它们吞噬恒星或其他黑洞时，它们会释放出引力波，这是现实结构中的涟漪，科学家们在2015年首次直接探测到。科学家们还可以通过围绕黑洞运行的星群来测量黑洞的质量——例如，表明人马座 A* 已经吞噬了相当于四百万个太阳的物质。（其他星系中的黑洞可能更大，质量可达数十亿个太阳质量。）具有讽刺意味的是，尽管黑洞本身不发光，但堆积在它们张口周围旋转的吸积盘中的气体和尘埃可以被加热到数十亿度，变得比恒星亮数百倍，偶尔还会喷射出更明亮的辐射。当这些辐射来自超大质量黑洞时，这些爆发可以塑造，甚至可能使星系宿主变得荒芜——而这样的黑洞似乎蹲伏在每个大型星系的中心。40多年来，天文学家们一直谨慎地研究这些间接证据，就像散落在巨龙巢穴门槛上的骨骼和灰烬。
2018年，一个国际科学家团队使用一种名为 GRAVITY 的仪器研究了银河系的怪物，该仪器将智利欧洲南方天文台甚大望远镜的四台八米望远镜的红外光结合起来。将多台望远镜的光结合起来是一种称为干涉测量的技术，可以显著提高天文观测的灵敏度和精度。研究结果发表在2018年10月的《天文与天体物理学》杂志上。“这是一个重大突破，”德国加兴马克斯·普朗克地外物理研究所的天体物理学家、该研究小组负责人莱因哈德·根泽尔说。“我们通过使用四台望远镜作为一个直径为130米的巨型单镜望远镜来观测银河系中心，从而制作出比以前暗1000倍的干涉图像。” 这不是 GRAVITY 的第一个突破：在2018年5月，该团队成功地测量了一颗恒星 S2 在其16年围绕这个巨大黑洞的轨道上最接近人马座 A* 时的相对论光线扭曲。
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这一发现是在对 S2 进行相同观测期间和之后不久展开的，当时 GRAVITY 团队成员奥利弗·普夫尔和杰森·德克斯特（研究的共同作者，当时都在马克斯·普朗克研究所）注意到，在2018年5月中旬至7月下旬之间，人马座 A* 的吸积盘发出了三个耀斑或“热点”。为了理解 GRAVITY 团队的壮举，请想象一下从地球仰望月球，并在月球表面辨别出一个四分之一美元的硬币（人马座 A*——或至少是它的阴影）放在一个装饰着圣诞彩灯的沙滩球上（人马座 A* 的吸积盘和伴随的耀斑）。
这些热点被认为是“磁暴”，当强烈的磁场形成丝状结构，然后断裂并重新连接时发生，释放出大量的能量来加热黑洞吸积盘内的附近气体。每个热点都类似于一个短寿命的、1000万公里宽的灯泡——大约一个小时后，它会冷却并在旋转、湍急的漩涡中被剪切开。这将使研究它们变得极其具有挑战性——特别是如果它们的发射受到黑洞附近各种极端相对论效应的扭曲和遮挡。反过来，这些相同的效应可以被研究，以对爱因斯坦的引力理论进行越来越严格的检验，从而可能导致新的物理学。
以前也曾探测到过这样的爆发，但 GRAVITY 首次让天文学家能够精确地测量耀斑在消散之前的位置和运动，表明每个耀斑都以 30% 的光速围绕某个看不见的中心物体（质量为四百万个太阳）大约 45 分钟的轨道运行。GRAVITY 的数据还测量了每个耀斑的偏振，偏振的变化与每个点在吸积盘强大磁场中的运动相一致，进一步加强了轨道解释。“当我们看到第一个时，我们不得不问自己，‘这是真的吗？’”普夫尔说。“但后来我们又发现了两个，” “它们都显示出相同的旋转、相同的方向和相同的尺度，这让我们放心了。”
当首次看到数据时，根泽尔最初的反应是震惊。“我简直不敢相信自己的眼睛，”他说。“没有人相信我们能做到这一点——我们自己也没真以为我们能做到——但它就在那里，这种美丽的轨道运动。” 除了幸运地捕捉到多个耀斑的活动外，GRAVITY 团队似乎也很幸运地获得了一个几何学上的巧合：他们对热点轨道的最佳估计表明，人马座 A* 的吸积盘恰好几乎是正面朝向地球，而不是侧向朝向地球，这使得天文学家可以像气象学家使用卫星视图跟踪飓风中的雷暴一样，研究其旋转的热点。“这就像中了彩票，因为先验概率表明你会看到像这样正面朝向的东西是非常低的，”根泽尔说。“这几乎就像有人为我们安排了这一切；我想银河系中心是一个幸运儿的地方。”
哈佛大学的天体物理学家艾维·勒布对这个结果相对来说并不感到惊讶，他没有直接参与 GRAVITY 的研究。十多年前，当与当时的博士后艾弗里·布罗德里克（现在在安大略省的珀里米特理论物理研究所）合作时，勒布开发了人马座 A* 周围热点的模型，并提出了观察其轨道运动的方法。“眼见为实，”他说。“这与我们预期的完全一致……。当时，我与大多数谈论此事的人都认为我们的热点模型过于天真，但令人惊讶的是，大自然比我的许多同事更友善。”
这些预测与 GRAVITY 观测之间最重要的重叠之处在于，人马座 A* 的热点似乎就位于一个长期预测的“不归点”之上——吸积盘内边缘物质的“最内稳定轨道”。超过这个边界，任何物体都会急剧坠落穿过黑洞的事件视界——这是一个众所周知的终点线，超过这条线，即使是光也无法逃脱——实际上是脱离了可观测的宇宙，进入了未知领域。由于任何黑洞的最内轨道的精确位置都取决于其最基本的属性，GRAVITY 的测量结果告诉我们一些关于人马座 A* 的深刻而新颖的信息。“就其本身而言，黑洞是简单的物体——质量、自旋和[电]荷就是你所得到的一切，”加州大学洛杉矶分校的天文学家安德里亚·盖兹说，她领导的团队使用夏威夷的双子克望远镜与根泽尔的研究小组竞争了十多年。“最内稳定轨道与黑洞的质量和自旋有关——我们已经知道[人马座 A* 的]质量——所以如果你相信热点是从那里发出的，你就可以确定这个黑洞的自旋，并测量这个基本属性。这个基本属性与这些东西如何生长有关，这告诉你它们是如何形成和随时间演化的。黑洞是我们宇宙的基本组成部分，所以当你研究它们时，你就是在询问宇宙的基石。”（2020年，盖兹和根泽尔因其监测人马座 A* 的工作而分享了诺贝尔物理学奖的一部分。）
不幸的是，就目前而言，对 GRAVITY 结果的进一步经验验证可能仅限于该仪器本身。2012年，美国宇航局取消了一项计划，该计划旨在为凯克望远镜提供类似于 GRAVITY 在甚大望远镜上使用的干涉测量能力；如果没有它，盖兹团队的独立观测和确认可能不得不等到 2020 年代某个时候，届时两座尚未建造的美国30米级天文台——巨型麦哲伦望远镜和三十米望远镜——预计将首次亮相。
与此同时，GRAVITY 正在继续观测银河系中心，额外的佐证最终应该会来自射电天文学领域。事件视界望远镜是一个由世界各地相互连接的射电天文台组成的阵列，它在 2019 年和 2020 年以其前所未有的 M87 星系中心超大质量黑洞图像而成为头条新闻，它也试图对人马座 A* 进行成像。这项工作探测到更靠近黑洞的地方，在那里，引力将光线捕获在一个围绕事件视界外侧旋转的环中。但根据该项目的创始主任谢泼德·多尔曼的说法，这些观测也可能揭示出由更远处热点循环产生的射电闪烁。
“无论你是在红外、射电还是引力波中观察它们，黑洞确实是关键，是宇宙最深刻、最神秘的谜团之一，”多尔曼说。“怎么会有一个通往我们宇宙的单向出口？这到底意味着什么？现在我们仍然只是看到巨龙巢穴外的骨骼——我们还没有看到巨龙。”