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- 612期－2020諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2020-12-01發現銀河系中心的大質量緻密天體
612 期
Author 作者
淺田圭一。松下聰樹。譯者﹔黃珞文。
今年，德國天文物理學家根策與美國物理學家吉茲共獲諾貝爾物理獎，獲獎原因為「發現銀河系中心的大質量緻密天體」。
說起黑洞，其實早在1915年愛因斯坦提出廣義相對論的場方程後不久，德國物理學家史瓦西（Karl Schwarzschild）就已用數學方程式對其進行描述。然而在接下來的半個世紀，天文學界對於黑洞的關注卻僅限於數學和理論上的推導。直到1963 年，荷蘭天文學家施密特（Maarten Schmidt）於類星體3C 273上，發現氫原子的巴耳末系光譜出現了強烈的紅移現象，因此他認為3C 273並非恆星，而是某遙遠星系之中的一個活躍星系核（active galactic nucleus），這也終於讓天文學界開始思考：到底是什麼原因能讓某個非常小的區域變得非常明亮？而此現象的其中一個解釋為，當物質吸積在類星體中心的黑洞上所釋放的重力位能（gravitational energy）。至此，天文學界開始認真尋找星系中心存在著黑洞的證據。
從天體運行的軌道尋找蛛絲馬跡
計算天體的運行軌道是天文學研究中一項既悠久又基本的方法之一。從太陽到行星等天體的質量都能用這種方法計算出來，而今年獲得諾貝爾物理獎的根策與吉茲也正是採用此方法。在1990年前後，根策與吉茲帶領各自的團隊計算天體運行的軌道，透過了解恆星的運動，以期進一步
探究銀河系中心的超大質量黑洞。在包括智利的新技術望遠鏡（New Technology Telescope, NTT）、超大望遠鏡（Very Large Telescope, VLT）及夏威夷的凱克天文台（W. M. Keck Observatory）的幫助下，兩團隊各自努力並取得了高準確度的軌道測量結果。
由於地球與銀河系中心之間，有很多會吸收可見光的塵埃阻隔，因此我們難以在地球上直接以可見光望遠鏡觀測銀河系中心。這個問題可以用紅外線望遠鏡解決。不過，透過紅外線望遠鏡雖能觀測位於銀河系中心附近的恆星，但有個會造成星星「一閃一閃亮晶晶」的東西卻仍然讓觀測困難重重，那就是：地球大氣。
星光一閃一閃的原因來自於大氣的擾動。即使在海拔4000～5000公尺的觀測點都難逃星光閃爍所帶來的阻礙。由於閃爍的星光會導致觀測圖像中的恆星位置產生波動，使圖像變模糊，解析度無法提高。起初，根策和吉茲的團隊都試圖利用高靈敏度的感測器和極短的曝光迴避大氣擾動效應的問題。運用這些方式一方面是因為曝光時間短，相對能順利拍到亮星；另一方面，一系列的短曝光還需要把恆星的圖案對齊並層層疊加，以獲得更清晰的圖像，但這些做法仍受限於望遠鏡的繞射極限（diffraction limit）。
所幸他們應用開發出了一種新技術來解決大氣擾動的問題，那就是自適應光學（adaptive optics）。最終，在對這些恆星持續觀測多年後，兩個獨立團隊各自畫出了許多恆星在圍繞著一個巨大緻密天體運動的軌跡圖。……【更多內容請閱讀科學月刊第612期】