吳學兵 左文文

黑洞是什么？黑洞在哪里？如何尋找黑洞？這些都是人們經(jīng)常關(guān)心的話題。黑洞也以其特有的魅力，吸引著眾多天體物理學家。今天，就請跟著我們來一窺神秘的黑洞吧！

黑洞是“黑”的嗎？

200多年前，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出： 一個質(zhì)量足夠大但體積足夠小的致密恒星會產(chǎn)生強大的引力場，以至于連光線都不能從其表面逃逸，因此它對我們來說是完全“黑”的。但這一推論隨后就被人遺忘，因為其所用的牛頓理論解決不了引力對光的作用問題。1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論不久，德國數(shù)學家史瓦西在靜態(tài)和球?qū)ΨQ假設(shè)下得到了愛因斯坦場方程的解，解在一個特殊半徑（后稱史瓦西半徑）處存在奇異性。1939年，美國物理學家奧本海默等進一步用相對論證明確實存在一個“時間-空間”區(qū)域，光都不可能從該區(qū)域逃逸而到達遠處的觀察者。這一區(qū)域的邊界被稱為視界，在靜態(tài)球?qū)ΨQ的情況下，視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小于史瓦西半徑，那么該天體就應(yīng)該是“黑”的，它自身無法被我們看到。物理學家們把這些非常致密、引力大而“看不到”的天體稱之為“黑洞”。

我們在宇宙中能否真正找到這些神秘的“黑洞精靈”呢？天文學家的確已發(fā)現(xiàn)了許多不是黑洞的致密天體，如白矮星和中子星，它們是恒星演化到晚期時的產(chǎn)物，且都有一個質(zhì)量上限，分別為1.4倍和3.2倍的太陽質(zhì)量。如果在恒星演化晚期，能形成比中子星質(zhì)量更大的致密天體，那它就可能是黑洞了。

我們銀河系中一半以上的恒星都有伴星，即位于雙星系統(tǒng)中。當雙星系統(tǒng)演化時，其中一顆大質(zhì)量的恒星在經(jīng)歷超新星爆發(fā)后會形成致密天體，它強大的引力會吸積從另一顆星流過來的物質(zhì)，這些物質(zhì)以螺旋狀的軌道向里快速運動，并且變得非常熱而在致密天體周圍發(fā)出X射線光。天文學家通過分析這些X射線雙星的觀測數(shù)據(jù)，可計算出其中致密天體的質(zhì)量?？茖W家對銀河系內(nèi)的一個致密X射線源天鵝座X-1的計算表明，其不可見致密天體的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的10倍，因此它不可能是白矮星或中子星，只可能是一個黑洞。目前在銀河系中已發(fā)現(xiàn)20多顆類似天鵝座X-1這樣的黑洞X射線雙星，它們的黑洞質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的4～20倍。

黑洞之跡

雖然黑洞自身的確是“黑”的，但宇宙中的黑洞卻不是無跡可尋的，黑洞可通過強大引力吸積附近的物質(zhì)在它周圍發(fā)光。這使得天文學家可以通過觀測黑洞周圍的物質(zhì)來發(fā)現(xiàn)黑洞，并測量它最重要的物理參數(shù)——質(zhì)量。

超大質(zhì)量黑洞與類星體

除了在銀河系內(nèi)尋找X射線雙星中的黑洞外，天文學家對銀河系及其他近鄰星系中心進行的動力學測量也發(fā)現(xiàn)這些星系中心幾乎都存在質(zhì)量為幾百萬至幾十億太陽質(zhì)量的“超大質(zhì)量黑洞”。只是在這些與銀河系相似的普通星系中，黑洞周圍幾乎沒什么可供它吞食的物質(zhì)，黑洞相對“安靜”?？墒牵谀承┗顒有窍抵?，豐富的物質(zhì)分布在黑洞的周圍，它們在圍繞黑洞的飛速旋轉(zhuǎn)中連續(xù)不斷地落向黑洞，并在黑洞附近形成一個發(fā)光的吸積盤。好萊塢大片《星際穿越》中大家看到的黑洞光環(huán)就是這樣形成的。

到了20世紀50年代，隨著“二戰(zhàn)”中發(fā)展起來的雷達技術(shù)被應(yīng)用于天文學，我們發(fā)現(xiàn)了很多天體（這類天體統(tǒng)稱為“射電源”）能發(fā)出肉眼不可見的無線電波。英國劍橋大學的天文學家將發(fā)現(xiàn)的幾百個射電源匯總編成了以劍橋大學名字的首字母C打頭的表，其中以第三個表最全，被稱為“3C表”。要想知道這些射電源的本質(zhì)，辨識出其在可見光波段的“光學對應(yīng)體”就非常重要。

1960年，美國天文學家桑德奇等發(fā)現(xiàn)標號為3C48的射電源的光學對應(yīng)體是一個類似恒星的天體，但用光學望遠鏡拍攝的光譜呈現(xiàn)出在恒星光譜中未曾見過的譜線。1962年，標號為3C273的射電源的光學對應(yīng)體被發(fā)現(xiàn)也類似恒星。1963年，生于荷蘭的美國天文學家施密特發(fā)現(xiàn)3C273的光譜與3C48相似，且成功辨認出光譜中最亮的譜線對應(yīng)的其實是紅移（由于宇宙膨脹導致的天體發(fā)光波長變長）之后的氫元素發(fā)射線。這顆紅移為0.158的“類似恒星的天體”（即類星體）的發(fā)現(xiàn)在《自然》雜志上被公之于眾。根據(jù)哈勃定律（即離我們越遠的星系退行速度越大），大的紅移意味著天體的距離越遠。因此，雖然類星體的光學像類似恒星，但它并非恒星，而是非常遙遠的天體。

類星體除了光學像類似恒星外，還有幾個重要特點。它的光度（每秒鐘釋放的能量）極大，典型的類星體光度可達太陽光度的10萬億倍。與之對比，銀河系總光度約是太陽光度的360億倍，所以類星體的光度是銀河系總光度的上千倍，這也是它們雖遙遠但看起來仍很明亮的原因。為什么類星體具有如此大的發(fā)光本領(lǐng)呢？原因是它的發(fā)光原理和太陽很不一樣，不是來自于原子的核反應(yīng)，而是來自于被類星體中心吸積的物質(zhì)所釋放出的巨大引力能。科學家們認為這巨大引力的來源是類星體中心存在的超大質(zhì)量黑洞。

類星體中心究竟有一個多大質(zhì)量的黑洞呢？能否從觀測上得到黑洞的質(zhì)量呢？在太陽系中，我們通過測量行星圍繞太陽運動的速度和行星到太陽的距離，可計算出太陽的質(zhì)量。相似的辦法也可用于估算類星體中心黑洞的質(zhì)量。類星體的光譜主要由兩部分組成：一部分是連續(xù)譜，一部分是疊加在連續(xù)譜上強而寬的發(fā)射譜線。后者來自于吸積盤之外由氣體組成的寬發(fā)射線區(qū)，譜線寬度正比于氣體運動的速度。前者來自于黑洞附近吸積盤的發(fā)光，其輻射強度越強，越能電離距離黑洞更遠的寬發(fā)射線區(qū)氣體。因此，只要測量類星體光譜中寬發(fā)射線的寬度和連續(xù)譜輻射的強度，就能估計出寬發(fā)射線區(qū)氣體的運動速度和離黑洞的距離，從而像從行星的運動速度和距離得到太陽的質(zhì)量一樣，得到類星體中心黑洞的質(zhì)量。目前的估算表明，大部分類星體的黑洞質(zhì)量在1千萬到10億倍太陽質(zhì)量之間，即類星體中心的確存在超大質(zhì)量黑洞！

中國天文學家發(fā)現(xiàn)的宇宙早期超級黑洞

2015年2月26日，在國際著名期刊《自然》上，我們的研究團隊發(fā)表了題為《一個紅移6.3、有120億倍太陽質(zhì)量黑洞的超亮類星體》的論文，宣布發(fā)現(xiàn)了迄今為止在遙遠宇宙中發(fā)光本領(lǐng)最強（為太陽光度的430萬億倍）、中心黑洞質(zhì)量最大的天體。這一宇宙早期超級黑洞的發(fā)現(xiàn)，刷新了人類使用兩米級望遠鏡發(fā)現(xiàn)最遙遠天體的歷史，為探尋神秘的早期宇宙點亮了一盞最明亮的燈。

這一天體的光學圖像是美國斯隆數(shù)字巡天拍的，但只憑圖像并不知道它是何種天體，還需進行光譜觀測。2013年，我們通過對它在光學和紅外波段圖像亮度的仔細分析，認為它可能是一個高紅移類星體的候選體。它的第一個光學波段光譜是2013年12月29日利用云南麗江的2.4米光學望遠鏡拍攝的，從光譜分析我們初步判定它是一顆紅移高于6.2的類星體。但由于麗江2.4米望遠鏡所拍光譜的分辨率還不夠高，我們與國外天文學家合作申請利用美國兩臺更大的望遠鏡進行了高分辨率的光譜觀測，證實了麗江2.4米望遠鏡的結(jié)果，確認它是一個紅移為6.3的類星體。該類星體的光度為太陽光度的430萬億倍，比以前最亮的高紅移類星體還亮4倍。隨后，我們又利用美國和智利的3臺望遠鏡做了近紅外波段的光譜觀測，并利用已紅移至近紅外波段的寬發(fā)射線的寬度和連續(xù)譜輻射的強度，估計出其中心黑洞質(zhì)量約為120億個太陽質(zhì)量。這使其成為目前已知高紅移類星體中光度最高、黑洞質(zhì)量最大的類星體。它也是世界上唯一一顆利用2米級光學望遠鏡發(fā)現(xiàn)的紅移6以上的類星體。

這一類星體的紅移是6.3，距離我們有128億光年。我們的宇宙年齡約為137億年，因此當我們的宇宙只有9億年時，這顆黑洞質(zhì)量高達120億倍太陽質(zhì)量的類星體就已存在。這一超級黑洞的發(fā)現(xiàn)對宇宙早期黑洞的形成、增長及黑洞與星系的演化理論提出了巨大挑戰(zhàn)。同時，它就像宇宙深處最明亮的燈塔，幫我們得到了許多以前不曾了解的宇宙早期的信息，為研究從極早期宇宙到近鄰宇宙的物質(zhì)分布和結(jié)構(gòu)提供了前所未有的幫助。

盡管我們的發(fā)現(xiàn)在國內(nèi)外引起了很大反響，但對這一宇宙早期超級黑洞仍有很多后續(xù)研究有待開展。我們將使用哈勃空間望遠鏡等大型天文設(shè)備對它進行進一步研究，期待不久的將來能揭示出這一宇宙早期超級怪物的更多奧秘。

麗江天文觀測站

中國科學院云南天文臺麗江天文觀測站坐落于云南省麗江市高美古，海拔3200米。擁有我國及東亞地區(qū)口徑最大的2.4米通用型天文光學望遠鏡。該鏡具有一流的光學質(zhì)量和非常高的跟蹤和指向精度。

我們在研究上取得的進展僅僅是人類探索茫茫宇宙的一小步，更多的宇宙奧秘仍等待大家一起去探索。