【每日科普】如何“看到”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。

 

（内容来源：学习强国）