第20章 超大质量黑洞
在夜空中有一块美丽的天区——人马座，那里靠近银河系中心，距离我们2.5万光年（见图20-1，标X的地方就是银河系中心的准确位置）。如果用线把人马座中的几颗星连起来，我们就会看到一个有趣的形状，天文爱好者戏称为“茶壶”。这个名字取得十分恰当，因为那里聚集着许多星云和气体云，看上去就像是从壶嘴里冒出来的热气。
事发地！
射电天文学家把这块区域称为“人马座A*”，这个缩称表明它是人马座里最明亮的射电源，它的名字还带了一个星号，这是为了强调它的特殊性。太阳系非常安静，在太阳的周围是空旷的太空，离我们最近的恒星也远在4光年之外。相比之下，在距离银河系中心不到1光年的范围内可热闹多了，那里可能聚集着上百万颗恒星，其中有不少是燃尽的恒星残骸，比如中子星和黑洞，还有许多明亮的蓝超巨星[1] 。
银河系中心深处
20世纪90年代初，德国天文学家莱茵哈德·根舍（Reinhard Genzel），使用欧洲南方天文台在智利建造的3.5米口径新技术望远镜，对银河系中心展开深入研究。经过观测，他发现那里的恒星运动得极快，而且它们离银河系中心越近，运动得越快，这个现象表明，在银河系中心处聚集着非常大的质量。不仅如此，这个质量的中心点似乎位置固定，其他物质全都在围着它疯狂地旋转。
继根舍之后，美国天文学家安德莉亚·盖兹（Andrea Ghez）与同事用美国夏威夷的两台10米口径凯克（Keck）望远镜，也对银河系中心展开了观测。银河系中心附近的恒星转得非常快，几年工夫就转完一圈，所以，盖兹等人对它们的运动进行跟踪观测，由此绘出了很长一段运动轨迹。距离人马座A*最近的那些恒星，时速高达每小时500万公里。除了追踪它们的运动轨迹外，天文学家还能根据多普勒效应，测量出它们靠近或者远离我们的运动速度。有了这些信息，盖兹与同事就能准确地计算出，这些恒星在三维空间里的运动情况。比如，有一颗恒星，编号SO-2，它的轨道偏心率非常大，只需15.5年就能转完一圈，天文学家对它进行跟踪监测，追着它整整转了一圈。还有一颗恒星，编号SO-102，它的轨道周期更短，只有11.5年（见图20-2）。这些恒星的高速运动表明，它们肯定在围绕着一个大质量天体旋转。
神秘天体
根据盖兹收集的恒星的运动数据，不难计算出藏在银河系中心的那个神秘天体的质量。由恒星轨道的大小和周期推算，那个天体的质量大约是太阳质量的400万倍。不仅如此，观测还指出，这么大质量的物质竟然集中在一个很小的区域——直径不超过地球到太阳的距离。这只有一种可能——银河系中心有一个超大质量黑洞。这个黑洞的事件视界有2400万千米宽，比太阳的直径大20倍。
在我们的银河系中心，竟然潜伏着如此巨大的黑洞，这让科学家相信，遥远的类星体之所以能够放出巨大的能量，十有八九与大质量黑洞有关。现在，这已成了公认的解释。在早期宇宙，类星体非常常见。天体物理学家认为，所有的星系，包括银河系，在其早期的演化过程中，都曾经历过类星体阶段，等到星系中心的大黑洞吃光了周围所有的物质，星系才平静下来。银河系中心的那个超大质量黑洞目前还算比较安静，它的质量虽然不算小，却还不是最大的。
更大的黑洞
在银河系的周围，我们还找到了质量更大的黑洞。室女星系团里的巨椭圆星系M87，距离我们5350万光年，有一束喷流从它的核心喷涌而出，这让它显得格外与众不同。在可见光波段，我们看到这个喷流一直延伸到星系之外约5000光年，如果用射电望远镜观测的话，我们还能看到喷流产生的射电瓣结构，最远可以伸展到25万光年。
在M87的中心就有一个超大质量黑洞，它的质量高达太阳的65亿倍，我们见到的那个喷流可能就是它产生的（见图20-3）。（科学家认为，在与之相对的另一侧也有一束喷流，只是因为它没有正对着我们，所以我们看不到它。）
在所有星系的中心，都可能窝藏着这样一个超大质量黑洞，而且星系的质量越大，黑洞的质量似乎就越大。在距离我们3亿光年的后发星系团里，有一个超巨椭圆星系NGC 4889。据估计，这个星系的质量是太阳质量的8万亿倍，在距离我们3亿光年的范围内，没有一个星系能在质量上超过它。自然地，藏在它中心的那个黑洞也是最大的，其质量大约是太阳质量的210亿倍。
自宇宙诞生至今已有138亿年，在这有限的时间里，这些黑洞是如何长这么大的？我们虽然还不知道具体原因，但却知道它们很早就开始吸积物质了。2017年12月，美国宇航局的科学家宣布，他们发现了有史以来最遥远的类星体。这个天体远在130亿光年之外，我们现在接收到的光，其实是它在宇宙大爆炸后6.9亿年发出来的。在它身后，有一个8亿倍太阳质量的黑洞，正在狼吞虎咽地吞噬着周围的恒星和尘埃云。为什么宇宙刚诞生没多久，这个黑洞就长这么大了呢？个中原因至今无人知晓。
还有一个问题也令科学家争论不休：究竟是先有星系，还是先有超大质量黑洞？到底是星系先轰轰烈烈地生出许多大质量恒星，然后这些恒星再迅速形成超大质量黑洞，还是年幼的黑洞最先出现，为日后星系的形成打下基础？
科学家下一步准备拍摄黑洞的事件视界，这也是“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，EHT）项目的目标。
为黑洞拍照
真正看到黑洞才是我们要面对的终极挑战。最容易的拍摄目标，自然是藏在银河系中心的那个大黑洞了，因为就数它离我们最近，但即便如此，就连世界上性能最好的望远镜也看不清它。图20-4是计算机模拟的黑洞照片，我们只能看到吸积盘的扭曲影像，这是因为黑洞周围的时空剧烈扭曲，使吸积盘发出的光发生偏折，而那个被亮环套着的黑暗球体才是黑洞的真身。
麻省理工学院的谢普·多尔曼（Shep Doeleman）正在主持一个雄心勃勃的国际合作项目，他计划使用事件视界望远镜拍出第一张黑洞照片。想要看清楚黑洞的模样，望远镜的分辨率至少要比哈勃空间望远镜高5000倍，有如此强大的分辨能力，即使在月球上放一个小板球，望远镜也能看得到。为了达到这个前所未有的超高分辨率，多尔曼把世界各地的望远镜全都集结起来。
由于炽热气体遮挡了星光，我们很难看到银河系的中心区域。所幸的是，红外辐射更容易穿透云雾，因此，事件视界望远镜把工作在远红外或者微波波段的望远镜都召集到一起，组建了一个观测网络。这些望远镜分布在世界各地，比如美国加利福尼亚州、亚利桑那州、夏威夷以及智利、欧洲，甚至还有南极（见图20-5）。事件视界望远镜把这些望远镜的观测数据全部收集到一处，合成一张无比清晰的照片。
为巨椭圆星系M87中心的那个超大质量黑洞拍照，是事件视界望远镜的第二个目标。这个黑洞拥有65亿倍太阳质量，虽然它比银河系中心的黑洞还要远2000倍，但它的视界却比后者宽1600多倍，这意味着，拍摄它的视界应该不会太困难。这个黑洞的视界快赶上海王星轨道的大小了，而且它还非常活跃，向星系际空间喷出巨大的喷流。科学家相信，我们能从它那里探知更多有关黑洞的秘密。
现在，我们已经步入黑洞的时代，很快就能看到黑洞的第一张照片了。[2]
- 蓝超巨星是一种大质量恒星，它的亮度和表面温度都非常高，是超新星爆发的前身星之一。——译者注
- 天文学家已经在2019年4月10日发布了第一张黑洞照片。——译者注
