日前，america舞蹈場地n斯坦福年夜學的天體物理學家們應用歐洲空天局的XMM-Newton和american宇航局的NuSTAR太空看遠鏡觀察到了一個黑洞背后的光線。這是科學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清楚更上一層樓。黑洞是宇宙中最“不成思議的天體”之一，自發現以來，就是地理學家、物理學家們研討的焦點。但它的機密，我們仍未所有的揭開。

黑洞在哪里？

在星系和類星體中尋找

黑洞是宇會議室出租宙中最奧秘的天體之一。早在18世紀，英國的米切爾和法國的拉普拉斯就從牛頓力學出發，進行了理論預言：宇宙中也許存在一種看不見的“暗星”，它的質量與半徑之比太年夜，以致于其概況的逃逸速率超過光速，導致它發出的光線無法逃出它的概況。

1915年，在愛因斯坦發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個人空間程獲得了靜態的史瓦西解，依照其理論預言，我們無法從裡面得知某一臨界半徑（即視界）內的任何信息。這一視界內的特別時空區域后來被定名為“黑洞”。

那么，宇宙中能否真的存在理論預言的黑洞？在哪里能找到黑洞？它們的質量又有多年夜呢？

20世紀樹立的恒星演變理論告訴我們，宇宙中質量超過25倍太陽質量的年夜質量恒星在逝世亡之前會產生劇烈的超新星爆發，其遺留物很能夠構成質量在幾倍到幾十倍太陽質量的恒星級黑洞。銀河系里有千億顆恒星，但今朝，科學家們在銀河系里只找到幾十個恒星級黑洞，大量恒星級黑洞還等候我們往發現。而銀河系只是星系家族的通俗一員，銀河系外還存在大批星系，宇宙中黑洞的數量遠比我們今朝觀測到的要多良多。

那么，有沒有比恒星級黑洞重良多的黑洞？它們會出現在什么樣的星系中？又會在星系中的什么地位呢？在答覆這些問題之前，我們先介紹一下什么是賽弗特星系和類星體。

我們了解，星系是組成宇宙的基礎單元，恒星和氣體是組成星系的重要成分。1943年，american地理學家賽弗特留意到有些星系的中間區域特別敞亮，他初次拍攝了這共享空間些星系焦點的光譜，發現光譜中有很強且寬的發射線，完整分歧于恒星光譜，這類星系后來被稱為“賽弗特星系”。1959年，american地理學家沃爾特指出，這些賽弗特星系產生寬發射線的焦點區域，必定存在強引力場，此區域內物質的質量估計約在一億倍太陽質量以上。那么，問題來了：這些產生強引力的物質會是什么呢？

20世紀50年月，雷達探測技術被用于地理學研討，這極年夜地推動了觀測才能共享空間的進步。英國劍橋年夜學的射電地理學家把所發現的幾百個宇宙射電源匯編成表，科學家們都在猜測，這些射電源究竟是什么天體？應用光學看遠鏡尋找這些射電源的光學對應體成為當時很是主要的一項任務。在持續的研討中，科學家們發現，一些射電源具有類似的光學性質，他們把這些“類星射電源”稱為類星體。類星體其實位于遙遠星系的焦點，其光譜與賽弗特星系很類似，只是譜線的紅移更年夜，距離更遠，輻射的能量更強。那么，問題又來了：舞蹈場地這些類星體宏私密空間大的能量來源不成能是通俗恒星中的熱核反應，畢竟是來源于什么物理機制呢？

1964年，蘇聯科學家澤爾多維奇和american科學家薩爾皮特在類星體發現不久就獨立提出超年夜質量黑洞（質量超過百萬倍太陽質量）能夠存在于交流星系的中間，這些“怪獸”級的黑洞不斷吸積周圍氣體而釋放出宏大能量，從而構成了類星體。這一年夜膽的解釋奠基瑜伽場地了類星體的物理基礎。

也恰是類星體動力問題的討論，促使英國數學物理學家彭羅斯在1965年從頭考慮年夜質量天體家教引力塌縮構成奇點的問題——他應用廣義相對論證明黑洞奇點的構成是不成防止的，對黑洞構成理論作出了主要貢獻，也是以獲得2020年諾貝爾物理學獎。

1969年，英國科學家林登貝爾提出圍繞黑洞運動的吸積盤概念并計算了黑洞吸積的輻射強度，進一個步驟確認類星體宏大能量的來源是教學被超年瑜伽場地夜質量黑洞所吸積的物質釋放出來的引力能。隨瑜伽教室著1973年蘇聯科學家夏庫拉和桑雅耶夫以及1974年american科學家佩吉和索恩樹立了”說完，他跳上馬，立即離開。標準吸積盤模個人空間子，最終超年夜質量黑洞吸積模子成了類星體和賽弗特星系等活動星系核動力機制的標準模子。

除了類星體和賽弗特星系等輻射能量宏大的活動星系的中間存在超年夜質量黑洞外，正常星系的中間能否也存在超年夜質量黑洞呢？1969年，林登貝爾指出一旦類星體中間的黑洞周圍沒有物質可以被黑洞吸積時，它們就會變成“逝世亡”的類星體，成為不活躍的正常星系。是以，許多正常星系中間也都會存在質量高達百萬到幾十億倍太陽質量的超年夜質量黑洞。1971年林登貝爾和瑞斯還論證了銀河系中間應存在一個超年夜質量黑洞，并提出應用射電波段的甚長基線干預技術應能確定銀河系中間黑洞的鉅細。

若何“看到”黑洞？

發現近鄰星系中間的超年夜質量黑洞

盡管在20世紀60年月科學家就提出正常星系中間存在年夜質量黑洞，但觀測上證實這一點卻很是困難，因為需求超地面間辨別率的瑜伽教室觀測才幹給出令人佩服的證據。

應用空中年夜型光學看遠鏡，地理學家在20世紀80年月就開始對幾個很是近鄰的正常星系如M31和M32的中間區域開展了光譜觀測，試圖應用接收線光譜示蹤的氣體運動來獲得中間黑洞存在的證據，但鑒于空間辨別率無限，結果有很年夜不確定性。直到1990年哈勃空間看遠鏡發射后，這一情況才得以顯著改良。哈勃看遠鏡具有高達0.1角秒的空間辨別率，觀測才能往往比空中看遠鏡高上10倍，它在1995年后對近鄰星系中間的觀測極年夜地改良了原來空中看遠鏡的觀測結果，並且還對良多更遙遠星系的中間區域進行了觀測，精確測量了這些星系中間超年夜質量黑洞的質量。

測量近鄰星系中間黑洞質量的方式普通有三種，即應用中間黑洞周圍恒星、電離氣體以及微波脈澤動力學方式。前兩者被大批應用于哈勃看遠鏡蘭母冷笑一聲，不以為然，不置可否。及空中光學紅外看遠鏡對幾十個近鄰星系中間黑洞的教學觀測中。近20年來，應用計算機把持看遠鏡鏡面形狀的自適應光學技術廣泛應用于空中年夜型看遠鏡的紅外波段地理觀測中，通過鏡面變形有用打消地球年夜氣的影響可獲得高達0.01角秒的空間辨別率。

德國地理學家根澤爾和american地理學家蓋茲基于這一技術分別應用位于智利的甚年夜看遠鏡和american夏威夷的凱克看遠鏡對銀河系中間黑洞周圍幾十顆恒星的運動進行了長達20多年的紅外波段監測，確定銀河系中間黑洞質量為400萬倍太陽質量（兩人與彭羅斯一路分送朋友了202教學場地0年諾貝爾物理學獎）。

自1995年以來，應用射電看遠鏡干預的微波脈澤動力學方式通過探測圍繞黑洞運動的分子氣體盤的開普勒運動，并結合干預技術所具有的毫角秒級超地面間辨別率，科學家可以很是準會議室出租確地測量一些近鄰星系中間的黑洞質量。

近幾年，這一技術也擴展到通過應用毫米波陣列看遠鏡（如智利的ALMA）探測一氧化碳分子氣體的運動來測量近鄰星系的中間黑洞質量。american地理學瑜伽場地家通過對星系NGC135和NGC4261的ALMA看遠鏡觀測，獲得此中心教學黑洞質量分別為20.8億和16.7億倍太陽質量。

對近鄰星系中間超年夜質量黑洞的直接成像是近年來黑洞研討方面獲得的最具會議室出租衝破性的進展，實現這一成像需求高達幾十微角秒的空間辨別率。2019年4月10日，由世界上200多位地理學家組成的事務視界看遠鏡(EHT)國際一起配合團隊舞蹈場地公布了在2017年4月應用全球8個毫米波看遠鏡組成的全球EHT甚長家教基線干預陣列拍攝的首張黑洞照片，惹起舉世轟動。這一黑洞位于距離地球5000萬光年的橢球星系M87中間，照片上可直接看到黑洞的“陰影”和環繞著黑洞陰影但亮度南北不對稱的光環。這是地理學家應用地球直徑鉅細的看遠鏡陣列獲得至今最高的空間辨別率（20微角秒）所拍攝的毫米波段天體的照片，此中的陰影直接證明了黑洞的存在。EHT8個看遠鏡的干交流預獲得了更為準確的家教M87星系中間離地球的距離為5.48千萬光年，根據陰影鉅細獲得M87中間黑洞的質量為65億倍太陽質量。

2022年5月12日，EHT國際一起配合團隊又公布了2017年4月同樣應用EHT干預陣列拍攝的銀河系中間超年夜質量黑洞的照片，從照片上依然可看到黑洞的陰影和環繞著黑洞陰影的光環。陰影的鉅細也證實了銀河系中間存在質量為400萬倍太陽質量的超年夜質量黑洞。眼見為實，這些黑洞照片讓人類從視覺上感觸感染到了超年夜質量黑洞的存在。我國由中國科學院上海地理臺牽頭也有十多位科學家參加了這些黑洞照片的拍攝任務，為此作出了主要貢獻。

若何測量黑洞？

為活動星系中間的超年夜質量黑洞“稱重”

雖然動力學方式在近鄰星系中間黑洞質量的測量中獲得了必定結果，但由于絕年夜部門活動星系的中間太亮，發光最強的類星體也更為遙遠，是以，恒星和氣體動力學方式并不適用，必須應用其他方式獲得此中心黑洞的質量。

在良多賽弗特星系和類星體的光譜中存在強而寬的發射線，發射線的寬度可反應寬發射線區氣體的運動速率。通過一種名為“光譜反響映射”的技術，科學家們應用看遠鏡從對這些天體的長期光譜監測獲得的寬發射線和連續譜強度的光變曲線中獲得兩者的時間延遲，由此可以獲得寬發射線區到中間黑洞的半徑，這樣就可以模仿測量近鄰星系中間黑洞質量的動力學辦法通過寬發射線區的半共享空間徑和速率，獲得活動星系核中間黑洞的質量。

過往30多年間，包含我國科學家在內的諸多團隊已通過這一方式，觀測家教到了100多個賽弗特星系和類星體的黑洞質量。結果顯示，賽弗特星系的黑洞質量普通為百萬到上億倍太陽質量，而類星體的黑洞質量普通為千萬到幾十億倍太陽質量。

光譜反響映射技術因為需求占用較多的看遠鏡觀測時間才幹獲得較長時間的光變數據，應用范圍還很無限。不過，地理學家們通過對已有的結果總結出了規律——發射線區半徑和連續譜光度之間的經驗關系（R～L關系）。這樣，應用對活動星系核的1對1教學單次光譜觀測獲得連續譜光度和寬發射線寬度，再應用這一經驗關系就可獲得發射線區半徑，就能夠預算出中間黑洞質量。

這一方式已廣泛應用于如american斯隆數字巡天（SDSS）和我國郭守敬看遠鏡（LAMOST）光譜巡天中的類星體巡天項目。今朝地理學家已發現幾十萬個類星體，此中，我國地理學家應用LAMOST看遠鏡就新發現了2萬多個類星體。應用對寬發射線的測量獲得了這幾十萬個類星體的中間黑洞質量，其質量年夜多分布在從千萬到百億倍太陽質量的范圍內。

R～L經驗關系也被用于通過紅外波段的光譜觀測估計一些最遙遠類星體中間的黑洞質量。2015年北京年夜學領導的團隊應用中國科學院云南地理臺麗江2.4米看遠鏡發現了宇宙晚期發光最亮的類星體J0100+2802，中間黑洞質量高達120億倍太陽質量，是宇宙晚期質量最年夜的黑洞。2021年american亞利桑那年夜學領導的團隊發現了類星體J0313-1806，中間黑洞質量為16億倍太陽質量，是今朝已知最陳舊的黑洞。

這些最遙遠的超年夜質量黑洞的發現對現有的星系和黑洞構成理論提出了挑戰，若何在宇宙晚期只要幾億年的極短時間里就構成質量這般之年夜的黑洞，需求科學家給出新的理論解釋。

研討仍在繼續——2021年12月american會議室出租發射升空的韋布空間看遠鏡（JWST）已經開始在紅外波段對最遙遠的星系和類星體進行觀測，無望發現宇宙晚期更陳舊的超年夜質量黑洞。2024年前后，我國也將發射中瑜伽教室國空間站巡天空間看遠鏡（CSST），并開展地面間辨別率的年夜天區面積天體成像和光譜觀測。可以想見，隨著觀測手腕的進步和觀測數據的積累，我們將發現數以百萬計的超年夜質量黑洞，從而提醒更小樹屋多關于這些星系最後，當他喝完酒禮被趕出新房招待客人的時候，他就有了捨不得離開的念頭。他覺得……他不知道自己該有什麼感覺了。中間“超級怪獸”的奧秘。

（作者：吳學兵，系北京年夜學物理學院地理學系傳授、系主任，科維理地理與天體物理研討所副所長）