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超大质量黑洞:星系中心的“怪兽”

冯杰

2023年03月20日 02:17

吴学兵
光明日报( 2022年09月08日 16版)

日前,美国斯坦福大学的天体物理学家们使用欧洲空天局的XMM-Newton和美国宇航局的NuSTAR太空望远镜观察到了一个黑洞背后的光线。这是科学家们第一次直接观察到来自黑洞背后的光,或许将让我们对黑洞的了解更上一层楼。黑洞是宇宙中最“不可思议的天体”之一,自发现以来,就是天文学家、物理学家们研究的焦点。但它的秘密,我们仍未全部揭开。

黑洞在哪里?

在星系和类星体中寻找

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。早在18世纪,英国的米切尔和法国的拉普拉斯就从牛顿力学出发,进行了理论预言:宇宙中也许存在一种看不见的“暗星”,它的质量与半径之比太大,以至于其表面的逃逸速度超过光速,导致它发出的光线无法逃出它的表面。

1915年,在爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国的史瓦西就从爱因斯坦引力场方程得到了静态的史瓦西解,按照其理论预言,我们无法从外面得知某一临界半径(即视界)内的任何信息。这一视界内的特殊时空区域后来被命名为“黑洞”。

那么,宇宙中是否真的存在理论预言的黑洞?在哪里能找到黑洞?它们的质量又有多大呢?

20世纪建立的恒星演化理论告诉我们,宇宙中质量超过25倍太阳质量的大质量恒星在死亡之前会产生剧烈的超新星爆发,其遗留物很可能形成质量在几倍到几十倍太阳质量的恒星级黑洞。银河系里有千亿颗恒星,但目前,科学家们在银河系里只找到几十个恒星级黑洞,大批恒星级黑洞还等待我们去发现。而银河系只是星系家族的普通一员,银河系外还存在大量星系,宇宙中黑洞的数量远比我们目前观测到的要多很多。

那么,有没有比恒星级黑洞重很多的黑洞?它们会出现在什么样的星系中?又会在星系中的什么位置呢?在回答这些问题之前,我们先介绍一下什么是赛弗特星系和类星体。

我们知道,星系是组成宇宙的基本单元,恒星和气体是组成星系的主要成分。1943年,美国天文学家赛弗特注意到有些星系的中心区域特别明亮,他首次拍摄了这些星系核心的光谱,发现光谱中有很强且宽的发射线,完全不同于恒星光谱,这类星系后来被称为“赛弗特星系”。1959年,美国天文学家沃尔特指出,这些赛弗特星系产生宽发射线的核心区域,一定存在强引力场,此区域内物质的质量估计约在一亿倍太阳质量以上。那么,问题来了:这些产生强引力的物质会是什么呢?

20世纪50年代,雷达探测技术被用于天文学研究,这极大地推动了观测能力的提高。英国剑桥大学的射电天文学家把所发现的几百个宇宙射电源汇编成表,科学家们都在猜测,这些射电源到底是什么天体?利用光学望远镜寻找这些射电源的光学对应体成为当时非常重要的一项工作。在持续的研究中,科学家们发现,一些射电源具有相似的光学性质,他们把这些“类星射电源”称为类星体。类星体其实位于遥远星系的核心,其光谱与赛弗特星系很类似,只是谱线的红移更大,距离更远,辐射的能量更强。那么,问题又来了:这些类星体巨大的能量来源不可能是普通恒星中的热核反应,究竟是来源于什么物理机制呢?

1964年,苏联科学家泽尔多维奇和美国科学家萨尔皮特在类星体发现不久就独立提出超大质量黑洞(质量超过百万倍太阳质量)可能存在于星系的中心,这些“怪兽”级的黑洞不断吸积周围气体而释放出巨大能量,从而形成了类星体。这一大胆的解释奠定了类星体的物理基础。

也正是类星体能源问题的讨论,促使英国数学物理学家彭罗斯在1965年重新考虑大质量天体引力塌缩形成奇点的问题——他利用广义相对论证明黑洞奇点的形成是不可避免的,对黑洞形成理论作出了重要贡献,也因此获得2020年诺贝尔物理学奖。

1969年,英国科学家林登贝尔提出围绕黑洞运动的吸积盘概念并计算了黑洞吸积的辐射强度,进一步确认类星体巨大能量的来源是被超大质量黑洞所吸积的物质释放出来的引力能。随着1973年苏联科学家夏库拉和桑雅耶夫以及1974年美国科学家佩吉和索恩建立了标准吸积盘模型,最终超大质量黑洞吸积模型成了类星体和赛弗特星系等活动星系核能源机制的标准模型。

除了类星体和赛弗特星系等辐射能量巨大的活动星系的中心存在超大质量黑洞外,正常星系的中心是否也存在超大质量黑洞呢?1969年,林登贝尔指出一旦类星体中心的黑洞周围没有物质可以被黑洞吸积时,它们就会变成“死亡”的类星体,成为不活跃的正常星系。因此,许多正常星系中心也都会存在质量高达百万到几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞。1971年林登贝尔和瑞斯还论证了银河系中心应存在一个超大质量黑洞,并提出利用射电波段的甚长基线干涉技术应能确定银河系中心黑洞的大小。

如何“看到”黑洞?

发现近邻星系中心的超大质量黑洞

尽管在20世纪60年代科学家就提出正常星系中心存在大质量黑洞,但观测上证实这一点却非常困难,因为需要超高空间分辨率的观测才能给出令人信服的证据。

利用地面大型光学望远镜,天文学家在20世纪80年代就开始对几个非常近邻的正常星系如M31和M32的中心区域开展了光谱观测,试图利用吸收线光谱示踪的气体运动来得到中心黑洞存在的证据,但鉴于空间分辨率有限,结果有很大不确定性。直到1990年哈勃空间望远镜发射后,这一情况才得以显著改善。哈勃望远镜具有高达0.1角秒的空间分辨率,观测能力往往比地面望远镜高上10倍,它在1995年后对近邻星系中心的观测极大地改善了原来地面望远镜的观测结果,而且还对很多更遥远星系的中心区域进行了观测,精确测量了这些星系中心超大质量黑洞的质量。

测量近邻星系中心黑洞质量的方法一般有三种,即利用中心黑洞周围恒星、电离气体以及微波脉泽动力学方法。前两者被大量应用于哈勃望远镜及地面光学红外望远镜对几十个近邻星系中心黑洞的观测中。近20年来,利用计算机控制望远镜镜面形状的自适应光学技术普遍应用于地面大型望远镜的红外波段天文观测中,通过镜面变形有效消除地球大气的影响可获得高达0.01角秒的空间分辨率。

德国天文学家根泽尔和美国天文学家盖兹基于这一技术分别利用位于智利的甚大望远镜和美国夏威夷的凯克望远镜对银河系中心黑洞周围几十颗恒星的运动进行了长达20多年的红外波段监测,确定银河系中心黑洞质量为400万倍太阳质量(两人与彭罗斯一起分享了2020年诺贝尔物理学奖)。

自1995年以来,利用射电望远镜干涉的微波脉泽动力学方法通过探测围绕黑洞运动的分子气体盘的开普勒运动,并结合干涉技术所具有的毫角秒级超高空间分辨率,科学家可以非常准确地测量一些近邻星系中心的黑洞质量。

近几年,这一技术也扩展到通过利用毫米波阵列望远镜(如智利的ALMA)探测一氧化碳分子气体的运动来测量近邻星系的中心黑洞质量。美国天文学家通过对星系NGC135和NGC4261的ALMA望远镜观测,得到其中心黑洞质量分别为20.8亿和16.7亿倍太阳质量。

对近邻星系中心超大质量黑洞的直接成像是近年来黑洞研究方面取得的最具突破性的进展,实现这一成像需要高达几十微角秒的空间分辨率。2019年4月10日,由世界上200多位天文学家组成的事件视界望远镜(EHT)国际合作团队公布了在2017年4月利用全球8个毫米波望远镜组成的全球EHT甚长基线干涉阵列拍摄的首张黑洞照片,引起举世轰动。这一黑洞位于距离地球5000万光年的椭球星系M87中心,照片上可直接看到黑洞的“阴影”和环绕着黑洞阴影但亮度南北不对称的光环。这是天文学家利用地球直径大小的望远镜阵列得到至今最高的空间分辨率(20微角秒)所拍摄的毫米波段天体的照片,其中的阴影直接证明了黑洞的存在。EHT8个望远镜的干涉得到了更为准确的M87星系中心离地球的距离为5.48千万光年,根据阴影大小得到M87中心黑洞的质量为65亿倍太阳质量。

2022年5月12日,EHT国际合作团队又公布了2017年4月同样利用EHT干涉阵列拍摄的银河系中心超大质量黑洞的照片,从照片上仍然可看到黑洞的阴影和环绕着黑洞阴影的光环。阴影的大小也证实了银河系中心存在质量为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。眼见为实,这些黑洞照片让人类从视觉上感受到了超大质量黑洞的存在。我国由中国科学院上海天文台牵头也有十多位科学家参加了这些黑洞照片的拍摄工作,为此作出了重要贡献。

如何测量黑洞?

为活动星系中心的超大质量黑洞“称重”

虽然动力学方法在近邻星系中心黑洞质量的测量中取得了一定成果,但由于绝大部分活动星系的中心太亮,发光最强的类星体也更为遥远,因此,恒星和气体动力学方法并不适用,必须使用其他方法得到其中心黑洞的质量。

在很多赛弗特星系和类星体的光谱中存在强而宽的发射线,发射线的宽度可反映宽发射线区气体的运动速度。通过一种名为“光谱反响映射”的技术,科学家们利用望远镜从对这些天体的长期光谱监测得到的宽发射线和连续谱强度的光变曲线中得到两者的时间延迟,由此可以得到宽发射线区到中心黑洞的半径,这样就可以仿照测量近邻星系中心黑洞质量的动力学办法通过宽发射线区的半径和速度,得到活动星系核中心黑洞的质量。

过去30多年间,包括我国科学家在内的诸多团队已通过这一方法,观测到了100多个赛弗特星系和类星体的黑洞质量。结果显示,赛弗特星系的黑洞质量一般为百万到上亿倍太阳质量,而类星体的黑洞质量一般为千万到几十亿倍太阳质量。

光谱反响映射技术因为需要占用较多的望远镜观测时间才能获得较长时间的光变数据,应用范围还很有限。不过,天文学家们通过对已有的结果总结出了规律——发射线区半径和连续谱光度之间的经验关系(R~L关系)。这样,利用对活动星系核的单次光谱观测获得连续谱光度和宽发射线宽度,再应用这一经验关系就可获得发射线区半径,就能够估算出中心黑洞质量。

这一方法已广泛应用于如美国斯隆数字巡天(SDSS)和我国郭守敬望远镜(LAMOST)光谱巡天中的类星体巡天项目。目前天文学家已发现几十万个类星体,其中,我国天文学家利用LAMOST望远镜就新发现了2万多个类星体。利用对宽发射线的测量获得了这几十万个类星体的中心黑洞质量,其质量大多分布在从千万到百亿倍太阳质量的范围内。

R~L经验关系也被用于通过红外波段的光谱观测估计一些最遥远类星体中心的黑洞质量。2015年北京大学领导的团队利用中国科学院云南天文台丽江2.4米望远镜发现了宇宙早期发光最亮的类星体J0100+2802,中心黑洞质量高达120亿倍太阳质量,是宇宙早期质量最大的黑洞。2021年美国亚利桑那大学领导的团队发现了类星体J0313-1806,中心黑洞质量为16亿倍太阳质量,是目前已知最古老的黑洞。

这些最遥远的超大质量黑洞的发现对现有的星系和黑洞形成理论提出了挑战,如何在宇宙早期只有几亿年的极短时间里就形成质量如此之大的黑洞,需要科学家给出新的理论解释。

研究仍在继续——2021年12月美国发射升空的韦布空间望远镜(JWST)已经开始在红外波段对最遥远的星系和类星体进行观测,有望发现宇宙早期更古老的超大质量黑洞。2024年前后,我国也将发射中国空间站巡天空间望远镜(CSST),并开展高空间分辨率的大天区面积天体成像和光谱观测。可以想见,随着观测手段的进步和观测数据的积累,我们将发现数以百万计的超大质量黑洞,从而揭示更多关于这些星系中心“超级怪兽”的奥秘。

(作者系北京大学物理学院天文学系教授、系主任,科维理天文与天体物理研究所副所长)


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2023年03月20日 10:18
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