超大質(zhì)量黑洞星系中心的“怪獸”

吳學(xué)兵

不久前，美國斯坦福大學(xué)的天體物理學(xué)家們使用歐洲空天局的XMM-Newton和美國宇航局的NuSTAR太空望遠(yuǎn)鏡觀察到了一個(gè)黑洞背后的光線。這是科學(xué)家們第一次直接觀察到來自黑洞背后的光，或許將讓我們對黑洞的了解更上一層樓。

黑洞在哪里？

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一。早在18世紀(jì)，英國的米切爾和法國的拉普拉斯就從牛頓力學(xué)出發(fā)，進(jìn)行了理論預(yù)言：宇宙中也許存在一種看不見的“暗星”，它的質(zhì)量與半徑之比太大，以至于其表面的逃逸速度超過光速，導(dǎo)致它發(fā)出的光線無法逃出它的表面。

1915年，在愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后不久，德國的史瓦西就從愛因斯坦引力場方程得到了靜態(tài)的史瓦西解，按照其理論預(yù)言，我們無法從外面得知某一臨界半徑（即視界）內(nèi)的任何信息。這一視界內(nèi)的特殊時(shí)空區(qū)域后來被命名為“黑洞”。

那么，宇宙中是否真的存在理論預(yù)言的黑洞？在哪里能找到黑洞？它們的質(zhì)量又有多大呢？

20世紀(jì)建立的恒星演化理論告訴我們，宇宙中質(zhì)量超過25倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量恒星在死亡之前會產(chǎn)生劇烈的超新星爆發(fā)，其遺留物很可能形成質(zhì)量在幾倍到幾十倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞。銀河系里有千億顆恒星，但目前，科學(xué)家們在銀河系里只找到幾十個(gè)恒星級黑洞，大批恒星級黑洞還等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。而銀河系只是星系家族的普通一員，銀河系外還存在大量星系，宇宙中黑洞的數(shù)量遠(yuǎn)比我們目前觀測到的要多很多。

那么，有沒有比恒星級黑洞重很多的黑洞？它們會出現(xiàn)在什么樣的星系中？又會在星系中的什么位置呢？在回答這些問題之前，我們先介紹一下什么是賽弗特星系和類星體。

我們知道，星系是組成宇宙的基本單元，恒星和氣體是組成星系的主要成分。1943年，美國天文學(xué)家賽弗特注意到有些星系的中心區(qū)域特別明亮，他首次拍攝了這些星系核心的光譜，發(fā)現(xiàn)光譜中有很強(qiáng)且寬的發(fā)射線，完全不同于恒星光譜，這類星系后來被稱為“賽弗特星系”。1959年，美國天文學(xué)家沃爾特指出，這些賽弗特星系產(chǎn)生寬發(fā)射線的核心區(qū)域，一定存在強(qiáng)引力場，此區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量估計(jì)約在一億倍太陽質(zhì)量以上。那么，問題來了：這些產(chǎn)生強(qiáng)引力的物質(zhì)會是什么呢？

20世紀(jì)50年代，雷達(dá)探測技術(shù)被用于天文學(xué)研究，這極大地推動了觀測能力的提高。英國劍橋大學(xué)的射電天文學(xué)家把所發(fā)現(xiàn)的幾百個(gè)宇宙射電源匯編成表，科學(xué)家們都在猜測，這些射電源到底是什么天體？利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡尋找這些射電源的光學(xué)對應(yīng)體成為當(dāng)時(shí)非常重要的一項(xiàng)工作。在持續(xù)的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一些射電源具有相似的光學(xué)性質(zhì)，他們把這些“類星射電源”稱為類星體。類星體其實(shí)位于遙遠(yuǎn)星系的核心，其光譜與賽弗特星系很類似，只是譜線的紅移更大，距離更遠(yuǎn)，輻射的能量更強(qiáng)。那么，問題又來了：這些類星體巨大的能量來源不可能是普通恒星中的熱核反應(yīng)，究竟是來源于什么物理機(jī)制呢？

1964年，蘇聯(lián)科學(xué)家澤爾多維奇和美國科學(xué)家薩爾皮特在類星體發(fā)現(xiàn)不久就獨(dú)立提出超大質(zhì)量黑洞（質(zhì)量超過百萬倍太陽質(zhì)量）可能存在于星系的中心，這些“怪獸”級的黑洞不斷吸積周圍氣體而釋放出巨大能量，從而形成了類星體。這一大膽的解釋奠定了類星體的物理基礎(chǔ)。

也正是類星體能源問題的討論，促使英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯在1965年重新考慮大質(zhì)量天體引力塌縮形成奇點(diǎn)的問題——他利用廣義相對論證明黑洞奇點(diǎn)的形成是不可避免的，對黑洞形成理論作出了重要貢獻(xiàn)，也因此獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎。

1969年，英國科學(xué)家林登貝爾提出圍繞黑洞運(yùn)動的吸積盤概念并計(jì)算了黑洞吸積的輻射強(qiáng)度，進(jìn)一步確認(rèn)類星體巨大能量的來源是被超大質(zhì)量黑洞所吸積的物質(zhì)釋放出來的引力能。隨著1973年蘇聯(lián)科學(xué)家夏庫拉和桑雅耶夫以及1974年美國科學(xué)家佩吉和索恩建立了標(biāo)準(zhǔn)吸積盤模型，最終超大質(zhì)量黑洞吸積模型成了類星體和賽弗特星系等活動星系核能源機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)模型。

除了類星體和賽弗特星系等輻射能量巨大的活動星系的中心存在超大質(zhì)量黑洞外，正常星系的中心是否也存在超大質(zhì)量黑洞呢？1969年，林登貝爾指出一旦類星體中心的黑洞周圍沒有物質(zhì)可以被黑洞吸積時(shí)，它們就會變成“死亡”的類星體，成為不活躍的正常星系。因此，許多正常星系中心也都會存在質(zhì)量高達(dá)百萬到幾十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。1971年林登貝爾和瑞斯還論證了銀河系中心應(yīng)存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，并提出利用射電波段的甚長基線干涉技術(shù)應(yīng)能確定銀河系中心黑洞的大小。

如何“看到”黑洞？

盡管在20世紀(jì)60年代科學(xué)家就提出正常星系中心存在大質(zhì)量黑洞，但觀測上證實(shí)這一點(diǎn)卻非常困難，因?yàn)樾枰呖臻g分辨率的觀測才能給出令人信服的證據(jù)。

利用地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家在20世紀(jì)80年代就開始對幾個(gè)非常近鄰的正常星系如M31和M32的中心區(qū)域開展了光譜觀測，試圖利用吸收線光譜示蹤的氣體運(yùn)動來得到中心黑洞存在的證據(jù)，但鑒于空間分辨率有限，結(jié)果有很大不確定性。直到1990年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后，這一情況才得以顯著改善。哈勃望遠(yuǎn)鏡具有高達(dá)0.1角秒的空間分辨率，觀測能力往往比地面望遠(yuǎn)鏡高上10倍，它在1995年后對近鄰星系中心的觀測極大地改善了原來地面望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果，而且還對很多更遙遠(yuǎn)星系的中心區(qū)域進(jìn)行了觀測，精確測量了這些星系中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。

測量近鄰星系中心黑洞質(zhì)量的方法一般有三種，即利用中心黑洞周圍恒星、電離氣體以及微波脈澤動力學(xué)方法。前兩者被大量應(yīng)用于哈勃望遠(yuǎn)鏡及地面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡對幾十個(gè)近鄰星系中心黑洞的觀測中。近20年來，利用計(jì)算機(jī)控制望遠(yuǎn)鏡鏡面形狀的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)普遍應(yīng)用于地面大型望遠(yuǎn)鏡的紅外波段天文觀測中，通過鏡面變形有效消除地球大氣的影響可獲得高達(dá)0.01角秒的空間分辨率。

德國天文學(xué)家根澤爾和美國天文學(xué)家蓋茲基于這一技術(shù)分別利用位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡和美國夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡對銀河系中心黑洞周圍幾十顆恒星的運(yùn)動進(jìn)行了長達(dá)20多年的紅外波段監(jiān)測，確定銀河系中心黑洞質(zhì)量為400萬倍太陽質(zhì)量（兩人與彭羅斯一起分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎）。

自1995年以來，利用射電望遠(yuǎn)鏡干涉的微波脈澤動力學(xué)方法通過探測圍繞黑洞運(yùn)動的分子氣體盤的開普勒運(yùn)動，并結(jié)合干涉技術(shù)所具有的毫角秒級超高空間分辨率，科學(xué)家可以非常準(zhǔn)確地測量一些近鄰星系中心的黑洞質(zhì)量。

近幾年，這一技術(shù)也擴(kuò)展到通過利用毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（如智利的ALMA）探測一氧化碳分子氣體的運(yùn)動來測量近鄰星系的中心黑洞質(zhì)量。美國天文學(xué)家通過對星系NGC135和NGC4261的ALMA望遠(yuǎn)鏡觀測，得到其中心黑洞質(zhì)量分別為20.8億和16.7億倍太陽質(zhì)量。

過去30多年間，包括我國科學(xué)家在內(nèi)的諸多團(tuán)隊(duì)已通過這一方法，觀測到了100多個(gè)賽弗特星系和類星體的黑洞質(zhì)量。結(jié)果顯示，賽弗特星系的黑洞質(zhì)量一般為百萬到上億倍太陽質(zhì)量，而類星體的黑洞質(zhì)量一般為千萬到幾十億倍太陽質(zhì)量。

對近鄰星系中心超大質(zhì)量黑洞的直接成像是近年來黑洞研究方面取得的最具突破性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)這一成像需要高達(dá)幾十微角秒的空間分辨率。2019年4月10日，由世界上200多位天文學(xué)家組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作團(tuán)隊(duì)公布了在2017年4月利用全球8個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡組成的全球EHT甚長基線干涉陣列拍攝的首張黑洞照片，引起舉世轟動。這一黑洞位于距離地球5000萬光年的橢球星系M87中心，照片上可直接看到黑洞的“陰影”和環(huán)繞著黑洞陰影但亮度南北不對稱的光環(huán)。這是天文學(xué)家利用地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡陣列得到至今最高的空間分辨率（20微角秒）所拍攝的毫米波段天體的照片，其中的陰影直接證明了黑洞的存在。EHT 8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的干涉得到了更為準(zhǔn)確的M87星系中心離地球的距離為5.48千萬光年，根據(jù)陰影大小得到M87中心黑洞的質(zhì)量為65億倍太陽質(zhì)量。

2022年5月12日，EHT國際合作團(tuán)隊(duì)又公布了2017年4月同樣利用EHT干涉陣列拍攝的銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的照片，從照片上仍然可看到黑洞的陰影和環(huán)繞著黑洞陰影的光環(huán)。陰影的大小也證實(shí)了銀河系中心存在質(zhì)量為400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。眼見為實(shí)，這些黑洞照片讓人類從視覺上感受到了超大質(zhì)量黑洞的存在。我國由中國科學(xué)院上海天文臺牽頭也有10多位科學(xué)家參加了這些黑洞照片的拍攝工作，為此作出了重要貢獻(xiàn)。

如何測量黑洞？

雖然動力學(xué)方法在近鄰星系中心黑洞質(zhì)量的測量中取得了一定成果，但由于絕大部分活動星系的中心太亮，發(fā)光最強(qiáng)的類星體也更為遙遠(yuǎn)，因此，恒星和氣體動力學(xué)方法并不適用，必須使用其他方法得到其中心黑洞的質(zhì)量。

在很多賽弗特星系和類星體的光譜中存在強(qiáng)而寬的發(fā)射線，發(fā)射線的寬度可反映寬發(fā)射線區(qū)氣體的運(yùn)動速度。通過一種名為“光譜反響映射”的技術(shù)，科學(xué)家們利用望遠(yuǎn)鏡從對這些天體的長期光譜監(jiān)測得到的寬發(fā)射線和連續(xù)譜強(qiáng)度的光變曲線中得到兩者的時(shí)間延遲，由此可以得到寬發(fā)射線區(qū)到中心黑洞的半徑，這樣就可以仿照測量近鄰星系中心黑洞質(zhì)量的動力學(xué)辦法通過寬發(fā)射線區(qū)的半徑和速度，得到活動星系核中心黑洞的質(zhì)量。

過去30多年間，包括我國科學(xué)家在內(nèi)的諸多團(tuán)隊(duì)已通過這一方法，觀測到了100多個(gè)賽弗特星系和類星體的黑洞質(zhì)量。結(jié)果顯示，賽弗特星系的黑洞質(zhì)量一般為百萬到上億倍太陽質(zhì)量，而類星體的黑洞質(zhì)量一般為千萬到幾十億倍太陽質(zhì)量。

光譜反響映射技術(shù)因?yàn)樾枰加幂^多的望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)間才能獲得較長時(shí)間的光變數(shù)據(jù)，應(yīng)用范圍還很有限。不過，天文學(xué)家們通過對已有的結(jié)果總結(jié)出了規(guī)律——發(fā)射線區(qū)半徑和連續(xù)譜光度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（R～L關(guān)系）。這樣，利用對活動星系核的單次光譜觀測獲得連續(xù)譜光度和寬發(fā)射線寬度，再應(yīng)用這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系就可獲得發(fā)射線區(qū)半徑，就能夠估算出中心黑洞質(zhì)量。

這一方法已廣泛應(yīng)用于如美國斯隆數(shù)字巡天（SDSS）和我國郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）光譜巡天中的類星體巡天項(xiàng)目。目前天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)幾十萬個(gè)類星體，其中，我國天文學(xué)家利用LAMOST望遠(yuǎn)鏡就新發(fā)現(xiàn)了2萬多個(gè)類星體。利用對寬發(fā)射線的測量獲得了這幾十萬個(gè)類星體的中心黑洞質(zhì)量，其質(zhì)量大多分布在從千萬到百億倍太陽質(zhì)量的范圍內(nèi)。

R～L經(jīng)驗(yàn)關(guān)系也被用于通過紅外波段的光譜觀測估計(jì)一些最遙遠(yuǎn)類星體中心的黑洞質(zhì)量。2015年，北京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用中國科學(xué)院云南天文臺麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了宇宙早期發(fā)光最亮的類星體J0100+2802，中心黑洞質(zhì)量高達(dá)120億倍太陽質(zhì)量，是宇宙早期質(zhì)量最大的黑洞。2021年，美國亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了類星體J0313-1806，中心黑洞質(zhì)量為16億倍太陽質(zhì)量，是目前已知最古老的黑洞。

這些最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有的星系和黑洞形成理論提出了挑戰(zhàn)，如何在宇宙早期只有幾億年的極短時(shí)間里就形成質(zhì)量如此之大的黑洞，需要科學(xué)家給出新的理論解釋。

研究仍在繼續(xù)——2021年12月美國發(fā)射升空的韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）已經(jīng)開始在紅外波段對最遙遠(yuǎn)的星系和類星體進(jìn)行觀測，有望發(fā)現(xiàn)宇宙早期更古老的超大質(zhì)量黑洞。2024年前后，我國也將發(fā)射中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST），并開展高空間分辨率的大天區(qū)面積天體成像和光譜觀測。可以想見，隨著觀測手段的進(jìn)步和觀測數(shù)據(jù)的積累，我們將發(fā)現(xiàn)數(shù)以百萬計(jì)的超大質(zhì)量黑洞，從而揭示更多關(guān)于這些星系中心“超級怪獸”的奧秘。

◎ 來源|光明日報(bào)