日前，美國斯坦福大學的天體物理學家們使用歐洲空天局的XMM-Newton和美國宇航局的NuSTAR太空望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，自發現以來，就是天文學家、物理學家們研究的焦點。但它的秘密，我們仍未全部揭開。

　　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，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大，以至于其表面的逃逸速度超過光速，導致它發出的光線無法逃出它的表面。

　　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程得到了靜態的史瓦西解，按照其理論預言，我們無法從外面得知某一臨界半徑(即視界)內的任何信息。這一視界內的特殊時空區域后來被命名為“黑洞”。

　　那么，宇宙中是否真的存在理論預言的黑洞？在哪里能找到黑洞？它們的質量又有多大呢？

　　20世紀建立的恒星演化理論告訴我們，宇宙中質量超過25倍太陽質量的大質量恒星在死亡之前會產生劇烈的超新星爆發，其遺留物很可能形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，但目前，科學家們在銀河系里只找到幾十個恒星級黑洞，大批恒星級黑洞還等待我們去發現。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，宇宙中黑洞的數量遠比我們目前觀測到的要多很多。

　　那么，有沒有比恒星級黑洞重很多的黑洞？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，美國天文學家賽弗特注意到有些星系的中心區域特別明亮，他首次拍攝了這些星系核心的光譜，發現光譜中有很強且寬的發射線，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，美國天文學家沃爾特指出，這些賽弗特星系產生寬發射線的核心區域，一定存在強引力場，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年代，雷達探測技術被用于天文學研究，這極大地推動了觀測能力的提高。英國劍橋大學的射電天文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，這些射電源到底是什么天體？利用光學望遠鏡尋找這些射電源的光學對應體成為當時非常重要的一項工作。在持續的研究中，科學家們發現，一些射電源具有相似的光學性質，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，輻射的能量更強。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，究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美國科學家薩爾皮特在類星體發現不久就獨立提出超大質量黑洞(質量超過百萬倍太陽質量)可能存在于星系的中心，這些“怪獸”級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。

　　也正是類星體能源問題的討論，促使英國數學物理學家彭羅斯在1965年重新考慮大質量天體引力塌縮形成奇點的問題——他利用廣義相對論證明黑洞奇點的形成是不可避免的，對黑洞形成理論作出了重要貢獻，也因此獲得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，進一步確認類星體巨大能量的來源是被超大質量黑洞所吸積的物質釋放出來的引力能。隨著1973年蘇聯科學家夏庫拉和桑雅耶夫以及1974年美國科學家佩吉和索恩建立了標準吸積盤模型，最終超大質量黑洞吸積模型成了類星體和賽弗特星系等活動星系核能源機制的標準模型。

　　除了類星體和賽弗特星系等輻射能量巨大的活動星系的中心存在超大質量黑洞外，正常星系的中心是否也存在超大質量黑洞呢？1969年，林登貝爾指出一旦類星體中心的黑洞周圍沒有物質可以被黑洞吸積時，它們就會變成“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存在質量高達百萬到幾十億倍太陽質量的超大質量黑洞。1971年林登貝爾和瑞斯還論證了銀河系中心應存在一個超大質量黑洞，并提出利用射電波段的甚長基線干涉技術應能確定銀河系中心黑洞的大小。

　　如何“看到”黑洞？

　　發現近鄰星系中心的超大質量黑洞

　　盡管在20世紀60年代科學家就提出正常星系中心存在大質量黑洞，但觀測上證實這一點卻非常困難，因為需要超高空間分辨率的觀測才能給出令人信服的證據。

　　利用地面大型光學望遠鏡，天文學家在20世紀80年代就開始對幾個非常近鄰的正常星系如M31和M32的中心區域開展了光譜觀測，試圖利用吸收線光譜示蹤的氣體運動來得到中心黑洞存在的證據，但鑒于空間分辨率有限，結果有很大不確定性。直到1990年哈勃空間望遠鏡發射后，這一情況才得以顯著改善。哈勃望遠鏡具有高達0.1角秒的空間分辨率，觀測能力往往比地面望遠鏡高上10倍，它在1995年后對近鄰星系中心的觀測極大地改善了原來地面望遠鏡的觀測結果，而且還對很多更遙遠星系的中心區域進行了觀測，精確測量了這些星系中心超大質量黑洞的質量。

　　測量近鄰星系中心黑洞質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力學方法。前兩者被大量應用于哈勃望遠鏡及地面光學紅外望遠鏡對幾十個近鄰星系中心黑洞的觀測中。近20年來，利用計算機控制望遠鏡鏡面形狀的自適應光學技術普遍應用于地面大型望遠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0.01角秒的空間分辨率。

　　德國天文學家根澤爾和美國天文學家蓋茲基于這一技術分別利用位于智利的甚大望遠鏡和美國夏威夷的凱克望遠鏡對銀河系中心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，確定銀河系中心黑洞質量為400萬倍太陽質量(兩人與彭羅斯一起分享了2020年諾貝爾物理學獎)。

　　自1995年以來，利用射電望遠鏡干涉的微波脈澤動力學方法通過探測圍繞黑洞運動的分子氣體盤的開普勒運動，并結合干涉技術所具有的毫角秒級超高空間分辨率，科學家可以非常準確地測量一些近鄰星系中心的黑洞質量。

　　近幾年，這一技術也擴展到通過利用毫米波陣列望遠鏡(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心黑洞質量。美國天文學家通過對星系NGC135和NGC4261的ALMA望遠鏡觀測，得到其中心黑洞質量分別為20.8億和16.7億倍太陽質量。

　　對近鄰星系中心超大質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展，實現這一成像需要高達幾十微角秒的空間分辨率。2019年4月10日，由世界上200多位天文學家組成的事件視界望遠鏡(EHT)國際合作團隊公布了在2017年4月利用全球8個毫米波望遠鏡組成的全球EHT甚長基線干涉陣列拍攝的首張黑洞照片，引起舉世轟動。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”和環繞著黑洞陰影但亮度南北不對稱的光環。這是天文學家利用地球直徑大小的望遠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個望遠鏡的干涉得到了更為準確的M87星系中心離地球的距離為5.48千萬光年，根據陰影大小得到M87中心黑洞的質量為65億倍太陽質量。

　　2022年5月12日，EHT國際合作團隊又公布了2017年4月同樣利用EHT干涉陣列拍攝的銀河系中心超大質量黑洞的照片，從照片上仍然可看到黑洞的陰影和環繞著黑洞陰影的光環。陰影的大小也證實了銀河系中心存在質量為400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。眼見為實，這些黑洞照片讓人類從視覺上感受到了超大質量黑洞的存在。我國由中國科學院上海天文臺牽頭也有十多位科學家參加了這些黑洞照片的拍攝工作，為此作出了重要貢獻。

　　如何測量黑洞？

　　為活動星系中心的超大質量黑洞“稱重”

　　雖然動力學方法在近鄰星系中心黑洞質量的測量中取得了一定成果，但由于絕大部分活動星系的中心太亮，發光最強的類星體也更為遙遠，因此，恒星和氣體動力學方法并不適用，必須使用其他方法得到其中心黑洞的質量。

　　在很多賽弗特星系和類星體的光譜中存在強而寬的發射線，發射線的寬度可反映寬發射線區氣體的運動速度。通過一種名為“光譜反響映射”的技術，科學家們利用望遠鏡從對這些天體的長期光譜監測得到的寬發射線和連續譜強度的光變曲線中得到兩者的時間延遲，由此可以得到寬發射線區到中心黑洞的半徑，這樣就可以仿照測量近鄰星系中心黑洞質量的動力學辦法通過寬發射線區的半徑和速度，得到活動星系核中心黑洞的質量。

　　過去30多年間，包括我國科學家在內的諸多團隊已通過這一方法，觀測到了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一般為百萬到上億倍太陽質量，而類星體的黑洞質量一般為千萬到幾十億倍太陽質量。

　　光譜反響映射技術因為需要占用較多的望遠鏡觀測時間才能獲得較長時間的光變數據，應用范圍還很有限。不過，天文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，利用對活動星系核的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，就能夠估算出中心黑洞質量。

　　這一方法已廣泛應用于如美國斯隆數字巡天(SDSS)和我國郭守敬望遠鏡(LAMOST)光譜巡天中的類星體巡天項目。目前天文學家已發現幾十萬個類星體，其中，我國天文學家利用LAMOST望遠鏡就新發現了2萬多個類星體。利用對寬發射線的測量獲得了這幾十萬個類星體的中心黑洞質量，其質量大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心的黑洞質量。2015年北京大學領導的團隊利用中國科學院云南天文臺麗江2.4米望遠鏡發現了宇宙早期發光最亮的類星體J0100+2802，中心黑洞質量高達120億倍太陽質量，是宇宙早期質量最大的黑洞。2021年美國亞利桑那大學領導的團隊發現了類星體J0313-1806，中心黑洞質量為16億倍太陽質量，是目前已知最古老的黑洞。

　　這些最遙遠的超大質量黑洞的發現對現有的星系和黑洞形成理論提出了挑戰，如何在宇宙早期只有幾億年的極短時間里就形成質量如此之大的黑洞，需要科學家給出新的理論解釋。

　　研究仍在繼續——2021年12月美國發射升空的韋布空間望遠鏡(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，有望發現宇宙早期更古老的超大質量黑洞。2024年前后，我國也將發射中國空間站巡天空間望遠鏡(CSST)，并開展高空間分辨率的大天區面積天體成像和光譜觀測。可以想見，隨著觀測手段的進步和觀測數據的積累，我們將發現數以百萬計的超大質量黑洞，從而揭示更多關于這些星系中心“超級怪獸”的奧秘。

　　(作者：吳學兵，系北京大學物理學院天文學系教授、系主任，科維理天文與天體物理研究所副所長)