發(fā)現(xiàn)宇宙深處的超級黑洞

吳學(xué)兵 左文文

黑洞是什么？黑洞在哪里？如何尋找黑洞？這些都是人們經(jīng)常關(guān)心的話題。黑洞也以其特有的魅力，吸引著眾多天體物理學(xué)家。今天，就請跟著我們來一窺神秘的黑洞吧！

黑洞是“黑”的嗎？

200多年前，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出： 一個(gè)質(zhì)量足夠大但體積足夠小的致密恒星會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場，以至于連光線都不能從其表面逃逸，因此它對我們來說是完全“黑”的。但這一推論隨后就被人遺忘，因?yàn)槠渌玫呐ｎD理論解決不了引力對光的作用問題。1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論不久，德國數(shù)學(xué)家史瓦西在靜態(tài)和球?qū)ΨQ假設(shè)下得到了愛因斯坦場方程的解，解在一個(gè)特殊半徑（后稱史瓦西半徑）處存在奇異性。1939年，美國物理學(xué)家奧本海默等進(jìn)一步用相對論證明確實(shí)存在一個(gè)“時(shí)間-空間”區(qū)域，光都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。這一區(qū)域的邊界被稱為視界，在靜態(tài)球?qū)ΨQ的情況下，視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小于史瓦西半徑，那么該天體就應(yīng)該是“黑”的，它自身無法被我們看到。物理學(xué)家們把這些非常致密、引力大而“看不到”的天體稱之為“黑洞”。

我們在宇宙中能否真正找到這些神秘的“黑洞精靈”呢？天文學(xué)家的確已發(fā)現(xiàn)了許多不是黑洞的致密天體，如白矮星和中子星，它們是恒星演化到晚期時(shí)的產(chǎn)物，且都有一個(gè)質(zhì)量上限，分別為1.4倍和3.2倍的太陽質(zhì)量。如果在恒星演化晚期，能形成比中子星質(zhì)量更大的致密天體，那它就可能是黑洞了。

我們銀河系中一半以上的恒星都有伴星，即位于雙星系統(tǒng)中。當(dāng)雙星系統(tǒng)演化時(shí)，其中一顆大質(zhì)量的恒星在經(jīng)歷超新星爆發(fā)后會(huì)形成致密天體，它強(qiáng)大的引力會(huì)吸積從另一顆星流過來的物質(zhì)，這些物質(zhì)以螺旋狀的軌道向里快速運(yùn)動(dòng)，并且變得非常熱而在致密天體周圍發(fā)出X射線光。天文學(xué)家通過分析這些X射線雙星的觀測數(shù)據(jù)，可計(jì)算出其中致密天體的質(zhì)量?？茖W(xué)家對銀河系內(nèi)的一個(gè)致密X射線源天鵝座X-1的計(jì)算表明，其不可見致密天體的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的10倍，因此它不可能是白矮星或中子星，只可能是一個(gè)黑洞。目前在銀河系中已發(fā)現(xiàn)20多顆類似天鵝座X-1這樣的黑洞X射線雙星，它們的黑洞質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的4～20倍。

黑洞之跡

雖然黑洞自身的確是“黑”的，但宇宙中的黑洞卻不是無跡可尋的，黑洞可通過強(qiáng)大引力吸積附近的物質(zhì)在它周圍發(fā)光。這使得天文學(xué)家可以通過觀測黑洞周圍的物質(zhì)來發(fā)現(xiàn)黑洞，并測量它最重要的物理參數(shù)——質(zhì)量。

超大質(zhì)量黑洞與類星體

除了在銀河系內(nèi)尋找X射線雙星中的黑洞外，天文學(xué)家對銀河系及其他近鄰星系中心進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)測量也發(fā)現(xiàn)這些星系中心幾乎都存在質(zhì)量為幾百萬至幾十億太陽質(zhì)量的“超大質(zhì)量黑洞”。只是在這些與銀河系相似的普通星系中，黑洞周圍幾乎沒什么可供它吞食的物質(zhì)，黑洞相對“安靜”?？墒牵谀承┗顒?dòng)星系中，豐富的物質(zhì)分布在黑洞的周圍，它們在圍繞黑洞的飛速旋轉(zhuǎn)中連續(xù)不斷地落向黑洞，并在黑洞附近形成一個(gè)發(fā)光的吸積盤。好萊塢大片《星際穿越》中大家看到的黑洞光環(huán)就是這樣形成的。

到了20世紀(jì)50年代，隨著“二戰(zhàn)”中發(fā)展起來的雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于天文學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)了很多天體（這類天體統(tǒng)稱為“射電源”）能發(fā)出肉眼不可見的無線電波。英國劍橋大學(xué)的天文學(xué)家將發(fā)現(xiàn)的幾百個(gè)射電源匯總編成了以劍橋大學(xué)名字的首字母C打頭的表，其中以第三個(gè)表最全，被稱為“3C表”。要想知道這些射電源的本質(zhì)，辨識出其在可見光波段的“光學(xué)對應(yīng)體”就非常重要。

1960年，美國天文學(xué)家桑德奇等發(fā)現(xiàn)標(biāo)號為3C48的射電源的光學(xué)對應(yīng)體是一個(gè)類似恒星的天體，但用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝的光譜呈現(xiàn)出在恒星光譜中未曾見過的譜線。1962年，標(biāo)號為3C273的射電源的光學(xué)對應(yīng)體被發(fā)現(xiàn)也類似恒星。1963年，生于荷蘭的美國天文學(xué)家施密特發(fā)現(xiàn)3C273的光譜與3C48相似，且成功辨認(rèn)出光譜中最亮的譜線對應(yīng)的其實(shí)是紅移（由于宇宙膨脹導(dǎo)致的天體發(fā)光波長變長）之后的氫元素發(fā)射線。這顆紅移為0.158的“類似恒星的天體”（即類星體）的發(fā)現(xiàn)在《自然》雜志上被公之于眾。根據(jù)哈勃定律（即離我們越遠(yuǎn)的星系退行速度越大），大的紅移意味著天體的距離越遠(yuǎn)。因此，雖然類星體的光學(xué)像類似恒星，但它并非恒星，而是非常遙遠(yuǎn)的天體。

類星體除了光學(xué)像類似恒星外，還有幾個(gè)重要特點(diǎn)。它的光度（每秒鐘釋放的能量）極大，典型的類星體光度可達(dá)太陽光度的10萬億倍。與之對比，銀河系總光度約是太陽光度的360億倍，所以類星體的光度是銀河系總光度的上千倍，這也是它們雖遙遠(yuǎn)但看起來仍很明亮的原因。為什么類星體具有如此大的發(fā)光本領(lǐng)呢？原因是它的發(fā)光原理和太陽很不一樣，不是來自于原子的核反應(yīng)，而是來自于被類星體中心吸積的物質(zhì)所釋放出的巨大引力能?？茖W(xué)家們認(rèn)為這巨大引力的來源是類星體中心存在的超大質(zhì)量黑洞。

類星體中心究竟有一個(gè)多大質(zhì)量的黑洞呢？能否從觀測上得到黑洞的質(zhì)量呢？在太陽系中，我們通過測量行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的速度和行星到太陽的距離，可計(jì)算出太陽的質(zhì)量。相似的辦法也可用于估算類星體中心黑洞的質(zhì)量。類星體的光譜主要由兩部分組成：一部分是連續(xù)譜，一部分是疊加在連續(xù)譜上強(qiáng)而寬的發(fā)射譜線。后者來自于吸積盤之外由氣體組成的寬發(fā)射線區(qū)，譜線寬度正比于氣體運(yùn)動(dòng)的速度。前者來自于黑洞附近吸積盤的發(fā)光，其輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，越能電離距離黑洞更遠(yuǎn)的寬發(fā)射線區(qū)氣體。因此，只要測量類星體光譜中寬發(fā)射線的寬度和連續(xù)譜輻射的強(qiáng)度，就能估計(jì)出寬發(fā)射線區(qū)氣體的運(yùn)動(dòng)速度和離黑洞的距離，從而像從行星的運(yùn)動(dòng)速度和距離得到太陽的質(zhì)量一樣，得到類星體中心黑洞的質(zhì)量。目前的估算表明，大部分類星體的黑洞質(zhì)量在1千萬到10億倍太陽質(zhì)量之間，即類星體中心的確存在超大質(zhì)量黑洞！

中國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的宇宙早期超級黑洞

2015年2月26日，在國際著名期刊《自然》上，我們的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為《一個(gè)紅移6.3、有120億倍太陽質(zhì)量黑洞的超亮類星體》的論文，宣布發(fā)現(xiàn)了迄今為止在遙遠(yuǎn)宇宙中發(fā)光本領(lǐng)最強(qiáng)（為太陽光度的430萬億倍）、中心黑洞質(zhì)量最大的天體。這一宇宙早期超級黑洞的發(fā)現(xiàn)，刷新了人類使用兩米級望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)最遙遠(yuǎn)天體的歷史，為探尋神秘的早期宇宙點(diǎn)亮了一盞最明亮的燈。

這一天體的光學(xué)圖像是美國斯隆數(shù)字巡天拍的，但只憑圖像并不知道它是何種天體，還需進(jìn)行光譜觀測。2013年，我們通過對它在光學(xué)和紅外波段圖像亮度的仔細(xì)分析，認(rèn)為它可能是一個(gè)高紅移類星體的候選體。它的第一個(gè)光學(xué)波段光譜是2013年12月29日利用云南麗江的2.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝的，從光譜分析我們初步判定它是一顆紅移高于6.2的類星體。但由于麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡所拍光譜的分辨率還不夠高，我們與國外天文學(xué)家合作申請利用美國兩臺更大的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了高分辨率的光譜觀測，證實(shí)了麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡的結(jié)果，確認(rèn)它是一個(gè)紅移為6.3的類星體。該類星體的光度為太陽光度的430萬億倍，比以前最亮的高紅移類星體還亮4倍。隨后，我們又利用美國和智利的3臺望遠(yuǎn)鏡做了近紅外波段的光譜觀測，并利用已紅移至近紅外波段的寬發(fā)射線的寬度和連續(xù)譜輻射的強(qiáng)度，估計(jì)出其中心黑洞質(zhì)量約為120億個(gè)太陽質(zhì)量。這使其成為目前已知高紅移類星體中光度最高、黑洞質(zhì)量最大的類星體。它也是世界上唯一一顆利用2米級光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的紅移6以上的類星體。

這一類星體的紅移是6.3，距離我們有128億光年。我們的宇宙年齡約為137億年，因此當(dāng)我們的宇宙只有9億年時(shí)，這顆黑洞質(zhì)量高達(dá)120億倍太陽質(zhì)量的類星體就已存在。這一超級黑洞的發(fā)現(xiàn)對宇宙早期黑洞的形成、增長及黑洞與星系的演化理論提出了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，它就像宇宙深處最明亮的燈塔，幫我們得到了許多以前不曾了解的宇宙早期的信息，為研究從極早期宇宙到近鄰宇宙的物質(zhì)分布和結(jié)構(gòu)提供了前所未有的幫助。

盡管我們的發(fā)現(xiàn)在國內(nèi)外引起了很大反響，但對這一宇宙早期超級黑洞仍有很多后續(xù)研究有待開展。我們將使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡等大型天文設(shè)備對它進(jìn)行進(jìn)一步研究，期待不久的將來能揭示出這一宇宙早期超級怪物的更多奧秘。

麗江天文觀測站

中國科學(xué)院云南天文臺麗江天文觀測站坐落于云南省麗江市高美古，海拔3200米。擁有我國及東亞地區(qū)口徑最大的2.4米通用型天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。該鏡具有一流的光學(xué)質(zhì)量和非常高的跟蹤和指向精度。

我們在研究上取得的進(jìn)展僅僅是人類探索茫茫宇宙的一小步，更多的宇宙奧秘仍等待大家一起去探索。