日前，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(duì)黑洞的了解更上一層樓。黑洞是宇宙中最“不可思議的天體”之一，自發(fā)現(xiàn)以來，就是天文學(xué)家、物理學(xué)家們研究的焦點(diǎn)。但它的秘密，我們?nèi)晕慈拷议_。
黑洞在哪里？
在星系和類星體中尋找
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(duì)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(huì)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(jí)黑洞。銀河系里有千億顆恒星，但目前，科學(xué)家們?cè)阢y河系里只找到幾十個(gè)恒星級(jí)黑洞，大批恒星級(jí)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(jí)黑洞重很多的黑洞？它們會(huì)出現(xiàn)在什么樣的星系中？又會(huì)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(huì)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(dòng)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(duì)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(jí)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(duì)論證明黑洞奇點(diǎn)的形成是不可避免的，對(duì)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(jiǎng)。
1969年，英國科學(xué)家林登貝爾提出圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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？
發(fā)現(xiàn)近鄰星系中心的超大質(zhì)量黑洞
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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)銀河系中心黑洞周圍幾十顆恒星的運(yùn)動(dòng)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(jiǎng))。
自1995年以來，利用射電望遠(yuǎn)鏡干涉的微波脈澤動(dòng)力學(xué)方法通過探測圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)的分子氣體盤的開普勒運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合干涉技術(shù)所具有的毫角秒級(jí)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(dòng)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(duì)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。
對(duì)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(dòng)。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(duì)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。EHT8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(tái)牽頭也有十多位科學(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？
為活動(dòng)星系中心的超大質(zhì)量黑洞“稱重”
雖然動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)辦法通過寬發(fā)射線區(qū)的半徑和速度，得到活動(dòng)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(duì)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(duì)活動(dòng)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(duì)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(tái)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(duì)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(duì)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�？梢韵胍�，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(jí)怪獸”的奧秘。
(作者：吳學(xué)兵，系北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授、系主任，科維理天文與天體物理研究所副所長)