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• 发布时间：2026-04-27 08:54:56
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日前，美国斯坦福年夜学的天体物理学家们利用欧洲空天局的XMM-Newton及美国宇航局的NuSTAR太空千里镜不雅察到了一个黑洞暗地里的光芒。这是科学家们第一次直接不雅察到来自黑洞暗地里的光，也许将让咱们对于黑洞的相识更上一层楼。黑洞是宇宙中最 不成思议的天体 之一，自觉现以来，就是天文学家、物理学家们研究的核心。但它的奥秘，咱们仍未全数揭开。

黑洞于哪里？

于星系及类星体中寻觅

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。早于18世纪，英国的米切尔及法国的拉普拉斯就从牛顿力学出发，举行了理论预言：宇宙中或许存于一种看不见的 暗星 ，它的质量与半径之比太年夜，以至在其外貌的逃逸速率跨越光速，致使它发出的光芒没法逃出它的外貌。

1915年，于爱因斯坦发表广义相对于论后不久，德国的史瓦西就从爱因斯坦引力场方程获得了静态的史瓦西解，根据其理论预言，咱们没法从外面得悉某一临界半径（即视界）内的任何信息。这一视界内的非凡时空区域厥后被定名为 黑洞 。

那末，宇宙中是否真的存于理论预言的黑洞？于哪里能找到黑洞？它们的质量又有多年夜呢？

20世纪成立的恒星演化理论告诉咱们，宇宙中质量跨越25倍太阳质量的年夜质量恒星于灭亡以前会孕育发生猛烈的超新星发作，其遗留物极可能形成质量于几倍到几十倍太阳质量的恒星级黑洞。星河系里有千亿颗恒星，但今朝，科学家们于星河系里只找到几十个恒星级黑洞，多量恒星级黑洞还有等候咱们去发明。而星河系只是星系家族的平凡一员，星河系外还有存于年夜量星系，宇宙中黑洞的数目远比咱们今朝不雅测到的要多许多。

那末，有无比恒星级黑洞重许多的黑洞？它们会呈现于甚么样的星系中？又会于星系中的甚么位置呢？于回覆这些问题以前，咱们先先容一下甚么是赛弗特星系及类星体。

咱们知道，星系是构成宇宙的基本单位，恒星及气体是构成星系的重要身分。1943年，美国天文学家赛弗特留意到有些星系的中央区域尤其敞亮，他初次拍摄了这些星系焦点的光谱，发明光谱中有很强且宽的发射线，彻底差别在恒星光谱，这种星系厥后被称为 赛弗特星系 。1959年，美国天文学家沃尔特指出，这些赛弗特星系孕育发生宽发射线的焦点区域，必然存于强引力场，此区域内物资的质量预计约于一亿倍太阳质量以上。那末，问题来了：这些孕育发生强引力的物资会是甚么呢？

20世纪50年月，雷达探测技能被用在天文学研究，这极年夜地鞭策了不雅测能力的提高。英国剑桥年夜学的射电天文学家把所发明的几百个宇宙射电源汇编成表，科学家们都于预测，这些射电源究竟是甚么天体？使用光学千里镜寻觅这些射电源的光学对于应体成为其时很是主要的一项事情。于连续的研究中，科学家们发明，一些射电源具备相似的光学性子，他们把这些 类星射电源 称为类星体。类星体实在位在遥远星系的焦点，其光谱与赛弗特星系很近似，只是谱线的红移更年夜，间隔更远，辐射的能量更强。那末，问题又来了：这些类星体巨年夜的能量来历不成能是平凡恒星中的热核反映，毕竟是来历在甚么物理机制呢？

1964年，苏联科学家泽尔多维奇及美国科学家萨尔皮特于类星体发明不久就自力提出超年夜质量黑洞（质量跨越百万倍太阳质量）可能存于在星系的中央，这些 怪兽 级的黑洞不停吸积周围气体而开释出巨年夜能量，从而形成为了类星体。这一斗胆的注释奠基了类星体的物理基础。

也恰是类星体能源问题的会商，促使英国数学物理学家彭罗斯于1965年从头思量年夜质量天体引力塌缩形成奇点的问题 他使用广义相对于论证实黑洞奇点的形成是不成防止的，对于黑洞形成理论作出了主要孝敬，也是以得到2020年诺贝尔物理学奖。

1969年，英国科学家林登贝尔提出缭绕黑洞运动的吸积盘观点并计较了黑洞吸积的辐射强度，进一步确认类星体巨年夜能量的来历是被超年夜质量黑洞所吸积的物资开释出来的引力能。跟着1973年苏联科学家夏库拉及桑雅耶夫以和1974年美国科学家佩吉及索恩成立了尺度吸积盘模子，终极超年夜质量黑洞吸积模子成为了类星体及赛弗特星系等勾当星系核能源机制的尺度模子。

除了了类星体三木SEO-及赛弗特星系等辐射能量巨年夜的勾当星系的中央存于超年夜质量黑洞外，正常星系的中央是否也存于超年夜质量黑洞呢？1969年，林登贝尔指出一旦类星体中央的黑洞周围没有物资可以被黑洞吸积时，它们就会酿成 灭亡 的类星体，成为不活跃的正常星系。是以，很多正常星系中央也城市存于质量高达百万到几十亿倍太阳质量的超年夜质量黑洞。1971年林登贝尔及瑞斯还有论证了星河系中央应存于一个超年夜质量黑洞，并提出使用射电波段的甚长基线干预干与技能应能确定星河系中央黑洞的巨细。

怎样 看到 黑洞？

发明近邻星系中央的超年夜质量黑洞

只管于20世纪60年月科学家就提出正常星系中央存于年夜质量黑洞，但不雅测上证明这一点却很是坚苦，由于需要超高空间分辩率的不雅测才能给出使人信服的证据。

使用地面年夜型光学千里镜，天文学家于20世纪80年月就最先对于几个很是近邻的正常星系如M31及M32的中央区域开展了光谱不雅测，试牟利用接收线光谱示踪的气体运动来获得中央黑洞存于的证据，但鉴在空间分辩率有限，成果有很年夜不确定性。直到1990年哈勃空间千里镜发射后，这一环境才患上以显著改善。哈勃千里镜具备高达0.1角秒的空间分辩率，不雅测能力往往比地面千里镜高上10倍，它于1995年后对于近邻星系中央的不雅测极年夜地改善了本来地面千里镜的不雅测成果，并且还有对于许多更遥远星系的中央区域举行了不雅测，切确丈量了这些星系中央超年夜质量黑洞的质量。

丈量近邻星系中央黑洞质量的要领一般有三种，即使用中央黑洞周围恒星、电离气体以和微波脉泽动力学要领。前二者被年夜量运用在哈勃千里镜和地面光学红外千里镜对于几十个近邻星系中央黑洞的不雅测中。近20年来，使用计较机节制千里镜镜面外形的自顺应光学技能遍及运用在地面年夜型千里镜的红外波段天文不雅测中，经由过程镜面变形有用消弭地球年夜气的影响可得到高达0.01角秒的空间分辩率。

德国天文学家根泽尔及美国天文学家盖兹基在这一技能别离使用位在智利的甚年夜千里镜及美国夏威夷的凯克千里镜对于星河系中央黑洞周围几十颗恒星的运动举行了长达20多年的红外波段监测，确定星河系中央黑洞质量为400万倍太阳质量（两人与彭罗斯一路分享了2020年诺贝尔物理学奖）。

自1995年以来，使用射电千里镜干预干与的微波脉泽动力学要领经由过程探测缭绕黑洞运动的份子气体盘的开普勒运动，并联合干预干与技能所具备的毫角秒级超高空间分辩率，科学家可以很是正确地丈量一些近邻星系中央的黑洞质量。

近几年，这一技能也扩大到经由过程使用毫米波阵列千里镜（如智利的ALMA）探测一氧化碳份子气体的运动来丈量近邻星系的中央黑洞质量。美国天文学家经由过程对于星系NGC135及NGC4261的ALMA千里镜不雅测，获得此中心黑洞质量别离为20.8亿及16.7亿倍太阳质量。

对于近邻星系中央超年夜质量黑洞的直接成像是最近几年来黑洞研究方面取患上的最具冲破性的进展，实现这一成像需要高达几十微角秒的空间分辩率。2019年4月10日，由世界上200多位天文学家构成的事务视界千里镜(EHT)国际互助团队宣布了于2017年4月使用全世界8个毫米波千里镜构成的全世界EHT甚长基线干预干与阵列拍摄的首张黑洞照片，引起环球惊动。这一黑洞位在间隔地球5000万光年的椭球星系M87中央，照片上可直接看到黑洞的 暗影 及环抱着黑洞暗影但亮度南北不合错误称的光环。这是天文学家使用地球直径巨细的千里镜阵列获得至今最高的空间分辩率（20微角秒）所拍摄的毫米波段天体的照片，此中的暗影直接证实了黑洞的存于。EHT8个千里镜的干预干与获得了更为正确的M87星系中央离地球的间隔为5.48万万光年，按照暗影巨细获得M87中央黑洞的质量为65亿倍太阳质量。

2022年5月12日，EHT国际互助团队又宣布了2017年4月一样使用EHT干预干与阵列拍摄的星河系中央超年夜质量黑洞的照片，从照片上仍旧可看到黑洞的暗影及环抱着黑洞暗影的光环。暗影的巨细也证明了星河系中央存于质量为400万倍太阳质量的超年夜质量黑洞。目睹为实，这些黑洞照片让人类从视觉上感触感染到了超年夜质量黑洞的存于。我国由中国科学院上海天文台牵头也有十多位科学家到场了这些黑洞照片的拍摄事情，为此作出了主要孝敬。

怎样丈量黑洞？

为勾当星系中央的超年夜质量黑洞 称重

虽然动力学要领于近邻星系中央黑洞质量的丈量中取患了必然结果，但因为绝年夜部门勾当星系的中央太亮，发光最强的类星体也更为遥远，是以，恒星及气体动力学要领其实不合用，必需利用其他要领获得此中心黑洞的质量。

于许多赛弗特星系及类星体的光谱中存于强而宽的发射线，发射线的宽度可反应宽发射线区气体的运动速率。经由过程一种名为 光谱回声映照 的技能，科学家们使用千里镜从对于这些天体的持久光谱监测获得的宽发射线及持续谱强度的光变曲线中获得二者的时间延迟，由此可以获得宽发射线区到中央黑洞的半径，如许就能够仿照丈量近邻星系中央黑洞质量的动力学措施经由过程宽发射线区的半径及速率，获得勾当星系核中央黑洞的质量。

已往30多年间，包括我国科学家于内的诸多团队已经经由过程这一要领，不雅测到了100多个赛弗特星系及类星体的黑洞质量。成果显示，赛弗特星系的黑洞质量通常是百万到上亿倍太阳质量，而类星体的黑洞质量通常是万万到几十亿倍太阳质量。

光谱回声映照技能由于需要占用较多的千里镜不雅测时间才能得到较永劫间的光变数据，运用规模还有颇有限。不外，天文学家们经由过程对于已经有的成果总结出了纪律 发射线区半径及持续谱光度之间的经验瓜葛（R～L瓜葛）。如许，使用对于勾当星系核的单次光谱不雅测得到持续谱光度及宽发射线宽度，再运用这一经验瓜葛就可得到发射线区半径，就可以估算出中央黑洞质量。

这一要领已经广泛运用在如美国斯隆数字巡天（SDSS）及我国郭守敬千里镜（LAMOST）光谱巡天中的类星体巡天项目。今朝天文学家已经发明几十万个类星体，此中，我国天文学家使用LAMOST千里镜就新发明了2万多个类星体。使用对于宽发射线的丈量得到了这几十万个类星体的中央黑洞质量，其质量年夜多漫衍于从万万到百亿倍太阳质量的规模内。

R～L经验瓜葛也被用在经由过程红外波段的光谱不雅测预计一些最遥远类星体中央的黑洞质量。2015年北京年夜学带领的团队使用中国科学院云南天文台丽江2.4米千里镜发明了宇宙初期发光最亮的类星体J0100+2802，中央黑洞质量高达120亿倍太阳质量，是宇宙初期质量最年夜的黑洞。2021年美国亚利桑那年夜学带领的团队发明了类星体J0313-1806，中央黑洞质量为16亿倍太阳质量，是今朝已经知最古老的黑洞。

这些最遥远的超年夜质量黑洞的发明对于现有的星系及黑洞形成理论提出了挑战，怎样于宇宙初期只有几亿年的极短期里就形成质量云云之年夜的黑洞，需要科学家给出新的理论注释。

研究仍于继承 2021年12月美国发射升空的韦布空间千里镜（JWST）已经经最先于红外波段对于最遥远的星系及类星体举行不雅测，有望发明宇宙初期更古老的超年夜质量黑洞。2024年先后，我国也将发射中国空间站巡天空间千里镜（CSST），并开展高空间分辩率的年夜天区面积天体成像及光谱不雅测。可以想见，跟着不雅测手腕的前进及不雅测数据的堆集，咱们将发明数以百万计的超年夜质量黑洞，从而展现更多关在这些星系中央 超等怪兽 的秘密。

（作者：吴学兵，系北京年夜学物理学院天文学系传授、系主任，科维理天文与天体物理研究所副所长）

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