●石頭 編

人有多重？站上體重計(jì)就知道，可是你知道怎么給黑洞“稱重”么？而且是給宇宙中最巨大的“超大質(zhì)量黑洞”“稱重”？當(dāng)然用來描述黑洞的是“質(zhì)量”而非“重量”。宇宙里有超過萬億個(gè)星系，每個(gè)星系中心都存在超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量動(dòng)輒數(shù)百萬倍于太陽，大的甚至超過1億倍！這些數(shù)字都是怎么測(cè)量出來的呢？

給黑洞測(cè)質(zhì)量——只需要一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡

其實(shí)許多星系中心的黑洞并沒有那么“黑”，它們?cè)谕淌晌镔|(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)出耀眼的光芒。由于這些黑洞看起來很亮，甚至比整個(gè)星系都亮，所以天文學(xué)家給這些星系的核心區(qū)域起名“活動(dòng)星系核”。

活動(dòng)星系核中心有一些圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)的由氫原子、氫離子等組成的“云塊”，黑洞吞噬物質(zhì)所發(fā)出的光照亮這些云塊后，天文學(xué)家就能夠在望遠(yuǎn)鏡中看到云塊“反射”過來的信號(hào)——光譜中的發(fā)射線。正是通過望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)黑洞吞噬物質(zhì)時(shí)的亮度變化，以及光譜上相應(yīng)發(fā)射線的變化，天文學(xué)家才能夠知道云塊到黑洞的距離、運(yùn)動(dòng)速度等信息，進(jìn)而得到中心的黑洞質(zhì)量。

我國黑洞“量體師”計(jì)劃丈量宇宙距離

超大質(zhì)量黑洞作為宇宙里最引人關(guān)注的天體之一，其質(zhì)量測(cè)量就像知識(shí)大廈底部的根基。國際上有許多團(tuán)隊(duì)都致力于這方面的工作。

我國就有這樣一個(gè)團(tuán)隊(duì)，成員是來自中科院高能物理研究所、中科院云南天文臺(tái)、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京師范大學(xué)等多家國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的超過20名天文學(xué)家和研究生，以及2名來自以色列的著名天文學(xué)家。在王建民和白金明研究員的領(lǐng)導(dǎo)下，在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院的大力支持下，他們正投身于測(cè)量活動(dòng)星系核中心的黑洞質(zhì)量，并致力于提高質(zhì)量測(cè)量精度。他們有著一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃：實(shí)現(xiàn)中國天文學(xué)家自己提出的利用黑洞作為新工具，丈量宇宙距離，翻開宇宙膨脹的早期歷史等目標(biāo)。

從2012年起，團(tuán)隊(duì)的觀測(cè)組成員就輪流駐守在云南天文臺(tái)麗江觀測(cè)站，利用那里的2.4米望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。來自高能所的副研究員杜璞就是這個(gè)團(tuán)隊(duì)中的一員。中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員杜璞與同為團(tuán)隊(duì)成員的高能所副研究員胡晨等一起摸索出了從觀測(cè)、流量定標(biāo)到測(cè)量分析的整套技術(shù)，使測(cè)量精度達(dá)到了國際同類型觀測(cè)的最高水平（1%至2%）。到2017年底，團(tuán)隊(duì)觀測(cè)了超過1200個(gè)夜晚，測(cè)量了30多個(gè)黑洞的質(zhì)量。而此前30多年里，由于觀測(cè)難度較大，國際上一共只完成了40多個(gè)黑洞的測(cè)量。

有些黑洞沒那么大

團(tuán)隊(duì)不但將活動(dòng)星系核黑洞質(zhì)量測(cè)量的數(shù)量擴(kuò)大了近一倍，還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的新現(xiàn)象。

這些吞噬物質(zhì)的黑洞，有的吃得快（稱為“高吸積率的”），有的吃得慢（“普通吸積率的”）。此前，同類型觀測(cè)均集中在較易觀測(cè)的“吃得慢”黑洞，而“吃得快”黑洞測(cè)量難度較大（變化微弱），正是由于觀測(cè)組成員使測(cè)量精度提高，才能測(cè)出這些黑洞的質(zhì)量。他們發(fā)現(xiàn)，高吸積率源的發(fā)射線相對(duì)連續(xù)譜變化的時(shí)間延遲特別短，意味著它們的質(zhì)量比原先猜測(cè)小很多。并且，這些黑洞周圍物質(zhì)里產(chǎn)生的光子來不及逃逸就和物質(zhì)一起掉進(jìn)黑洞，所以它們沒預(yù)想中那么明亮。該結(jié)果很快引起廣泛關(guān)注，因?yàn)檫@說明之前對(duì)于黑洞的許多理解都是不對(duì)的，比如遙遠(yuǎn)的早期宇宙中看到的黑洞，質(zhì)量可能比猜測(cè)的小很多，甚至差別達(dá)10倍！

2017年年底，國際上著名的斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目黑洞監(jiān)測(cè)子項(xiàng)目公布了他們第一年的結(jié)果。這一子項(xiàng)目由美國伊利諾伊香檳分校、賓州州立大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)組成。他們也發(fā)現(xiàn)在觀測(cè)目標(biāo)中存在相似的現(xiàn)象，支持了我國團(tuán)隊(duì)的觀測(cè)結(jié)果。