光都无法逃逸的地方
——超大质量黑洞探秘

何子山

黑洞是已知的宇宙中最极端的事物之一，它神秘且有趣，吸引着众多科学家不断去探究其奥秘。不仅仅是科学家，大众也对黑洞充满兴趣，在前几年的热门科幻影视作品《星际穿越》中，飞行员库珀利用黑洞进入了更高维度的空间。电影激发了大众对黑洞的想象，但也产生了很多误解，例如很多人认为“要小心黑洞，因为它会把任何东西吸进去，包括你”。其实并非如此，物体要通过相互碰撞、损失角动量才会“掉入”黑洞。

如何判断天体是否为黑洞

从物理学的角度来看，黑洞其实是非常简单的物体。爱因斯坦的质能方程 E = mc ² 表明，借助光速这个常量，质量和能量可以相互转化。除此之外，爱因斯坦还告诉我们，具有质量的物体会扭曲其附近的时空，当物体质量增加或者越来越致密，时空的曲率会越来越大。那么，如果时空一直被扭曲，会发生什么呢？如果让物体变得越来越致密又会怎样呢？大约 250 年前，法国天文学家、物理学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）已经考虑过这个问题，并提出这样的疑问：假如恒星的质量特别大或特别致密，以至于其逃逸速度超过光速，会发生什么呢（那时他们还不知道光速大约是 3×10 ⁸ 米/秒）？现在大家来想象会发生什么？其实非常简单，以地球为例，如果用某种机器把它压缩到一粒花生米那么大——直径约 9 毫米，那它就成了一个黑洞；如果将太阳压缩成直径 3千米的球，它也可以成为黑洞，其实这就是形成黑洞的条件。

由于光也无法逃逸出黑洞世界，我们目前还不能直接接收来自黑洞内部的信息。那么，我们如何知道哪些天体是黑洞呢？

首先，人类可以通过X射线天文学探知黑洞的存在。X射线双星中的一颗通常是中子星或者黑洞，这里辐射的X射线起源于恒星级别黑洞对物质的吸积，物质落入黑洞的引力势阱后，黑洞会使其变得极热并发出X射线波段的辐射。检测到逃逸出来的X射线就是发现黑洞最直接的证据。

其次，天文学家可以通过天体质量测量配合天体无辐射性检验来确定其是否为黑洞。天文学上测量天体质量的方法其实很简单，就是利用牛顿定律。以太阳系为例，通过观测围绕太阳转动的行星（如地球）轨道，分析出行星的位置与径向速度的关联，再利用牛顿定律就能计算出太阳质量，并不需要直接测量太阳。

除此之外，还有一种方法可以判断天体是不是黑洞。根据广义相对论，巨大的天体会使光弯曲进而改变它的传播路径，所以可以通过测量恒星发出的光经过某天体之后的路径弯曲程度来判断该天体是否为黑洞。这需要测量天体的视向速度和光与中心天体的距离。天文上又是如何测量视向速度呢？这也很简单。当一辆救护车从远到近从身边经过，我们会听到警笛的音调发生变化，因为波源靠近时声波的波长压缩，远离时波长伸长，从而引起频率的变化，这就是波的多普勒效应。光也是一种波，光和声波行为方式一样，所以光也有这样的效应。因此天体的视向速度和方向可以通过测量其辐射光的波长变化得到。如果波源向参照物靠近，那么光的波长会被压缩，波长变短，我们称之为蓝移；反之，如果波源快速远离参照物，波长就会伸长，我们称之为红移。自然界中不同的原子受激会发出特定频率（波长）的光，例如路灯中的钠灯发出黄光，氖灯发出红光。光谱是物质的特殊“指纹”，就像每个人手上的指纹都不同。氢原子有如上图的光谱，而氦作为宇宙中含量第二多的元素也有其特征光谱。我们可以将星光用棱镜或摄谱仪色散得到光谱，对比光谱来测算天体的视向速度，最后根据广义相对论来确定天体质量是否满足黑洞的质量要求。

超大质量黑洞

天文学家 1965 年发现了被称为“天鹅座X-1”的X射线双星，这是最早被确认的恒星级别黑洞。尽管测量X射线双星时看不到黑洞本身，但可以通过测量黑洞绕伴星旋转产生的引力效应来进行推测。观测发现此双星系统的旋转周期是 5.6 天，据此可以计算出那颗看不见的伴星质量约为太阳质量的 10 倍以上，说明其很可能是黑洞。

当黑洞的质量达到太阳质量的 100 万倍到 100 亿倍时，我们称之为超大质量黑洞，它们是位于大星系中心的天体。早在 20 世纪 60 年代初期，当天文学家发现一类叫作类星体的天体时（类星体是宇宙中光度最高的天体之一），他们唯一想到的能解释类星体能量源的机制就是物质被吸积到一个质量非常大的天体，进而推测这个具有非常大质量的天体可能就是超大质量黑洞。

如果从银河系上方向下观察的话，会发现太阳系处在银河系的外围，地球在一个非常偏远的位置，不便于观测银河系中心，我们的视线被沿途的星际尘埃几乎完全挡住。

不过，科学家可以观测银河系中恒星的运动。正如太阳系中的行星绕太阳运动，如果银河系中心有黑洞的话，恒星们也会有围绕黑洞的周期运动。图中可以看到靠近中心天体的恒星进行着周期运动，各色的恒星绕中心以约 2000 千米/秒的速度运动。地球绕太阳的速度约是 33 千米/秒，而此处是 2000 千米/秒，说明中心存在一个质量非常非常大的天体在牵引这些恒星绕动，通过计算可知，这个天体质量相当于 400 万个太阳质量，这是我们目前发现的最令人信服的超大质量黑洞存在的案例。

但银河系外就不能做类似的观测了，因为目前没有设备也没有办法在密集的恒星群中分辨出单个恒星。但我们可以利用星团的运动来观测河外星系。仍然是利用多普勒效应测量速度和方向，通过观察谱线图的移动推测星团的运动。使用这种方法需要在非常靠近星团中心的地方做观测，以确保恒星受到的引力是来自黑洞而不是周围的其他物质。

我们还需要知道黑洞影响球体半径。黑洞影响球体是一个区域，恒星在该区域内的运动受中心天体的引力势支配，而不受周围大尺度环境内的其他恒星支配。这项观测需要非常高的角分辨率，观测由美国宇航局发射的哈勃空间望远镜来完成。哈勃望远镜已经运行了 25 年，它在地球大气上方采集到的图像不受造成恒星闪烁的大气湍流的影响。闪烁的恒星非常浪漫，但对科学观测非常不利，因为会影响图像分辨率，所以哈勃空间望远镜一直是发现超大质量黑洞的重要平台。借助哈勃空间望远镜，利用多普勒效应，我们发现银河系外的仙女座有一个 1.2 亿倍太阳质量的黑洞，这是银河系黑洞质量的 30 倍；我们还观测了室女座星系M87，它以一条壮观的喷射带出名。几十年来人们都认为这条喷射带是由超大质量黑洞引起，而近年事件视界望远镜（EHT）团队更是直接通过拍照的方式证实了其中心有一个约 65 亿倍太阳质量的黑洞；M87 的朋友M84 是另一个巨型椭圆星系，我们用同样的观测方法发现这个天体也有一个壮观的喷射带，分解它的光得到光谱，发现其运动速度惊人，计算后发现这个黑暗天体约是 10 亿倍太阳质量。经过 10 年的观测，现在已测量到大约 100 个类似的案例，所有的大质量星系中心几乎都有一个神秘的黑暗天体，我们认为这些是超大质量黑洞，实际上这是研究黑洞的一个重要突破。

黑洞演化机制的探索

除了找到黑洞之外，关于黑洞，我们还有其他令人惊喜的发现。当我们把所有数据放在一起，就发现黑洞质量与星系核质量有非常严格的线性正相关关系，即越重的星系核，黑洞的质量越大。这种现象非常令人吃惊，因为尽管黑洞具有“超大质量”，但它也只有星系核质量的千分之一，所以星系绝不可能通过引力感知到黑洞，但为什么它们的质量有线性关系呢？这一直是过去这些年来天文学界的谜团和令人激动的话题。最终，人们对这个问题达成的共识是：尽管黑洞相对星系的质量不是很大，但如果黑洞是活跃的，或者是类星体，甚至会有喷流气体等极端行为，就一定会对星系造成大尺度的影响，会影响星系的形成，会控制星系中恒星的形成率。相对而言，质量很小的黑洞和质量很大的星系之间有某种非常紧密的反馈，因此出现了“协同进化”这个概念。

星系核是指星系中心质量密集的区域，由大量的恒星、等离子体和高能粒子等组成。

两个星系开始并合时，产生的引力的力矩驱动恒星生成所需的原料落入两个星系的中心，大部分物质在这里开始形成恒星，并为黑洞的成长提供原料，这使得星系中心形成类星体并释放出足以使星系爆炸的能量，这将对气体物质造成灾难性影响，进而影响星系演化；星系中心发生爆炸，导致恒星停止生成，星系死亡，实际上也造成黑洞停止生长，这就是中心很小的黑洞影响整个星系周围演化的机制。黑洞中心爆炸释放出的能量，控制了大尺度的星系环境的演化，这是现在天体物理学家关于星系形成的观点之一。

如果星系越来越小会发生什么呢？因为星系核的质量与黑洞质量线性相关，从图 4-9 中可以看出，如果星系足够小，中心的核足够小，可能就没有黑洞了。那么是否小于一定大小的星系内就不存在黑洞了？这个问题非常非常重要。自然形成的最小黑洞质量到底是多少？恒星级黑洞是 10 倍太阳质量，激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到 30 倍太阳质量的黑洞，有没有 1 万倍、10 万倍或 100 万倍太阳质量的黑洞呢？我们还想知道自然形成的最大质量黑洞的质量可以达到什么数量级？黑洞从小到大分别是怎么样的？黑洞种子怎样演化成为超大质量黑洞？

当宇宙年龄只有几亿年时就已经有非常亮的类星体了，这些类星体需要的黑洞质量是太阳质量的10亿、100亿倍，而大爆炸后的几亿年时间，并不足以生成这么重的天体。如果它们都从 10 倍太阳质量开始演化，那么理论上存在一个很大的问题：这样的种子黑洞是什么？理论物理学家说不用担心，由于宇宙早期的条件很特殊，不存在金属元素，因此他们可以用计算机模拟任意质量的初代黑洞，但在未来 10 至 20 年内，由于望远镜技术本身的限制，我们尚不能探测到这些天体。

让我们回到我们熟悉的最近的小星系。如果存在小质量黑洞，根据黑洞与星系核的线性关系，它们应该在小星系内。科学家们将哈勃空间望远镜的星系核图像放大，然后进行光谱分解检测恒星绕中心的快速运动。利用这种方法，目前观测到的有一些是 1 万倍太阳质量，一些是10 万倍太阳质量，还有很多是百万倍太阳质量的天体。科学家们有时把这些天体称为中等质量黑洞，以便和超大质量黑洞区分。无论叫什么，这是目前种子黑洞存在的最好证据。

这些种子黑洞怎么成长为驱动类星体的超大质量黑洞的呢？就像人类一样，星系也喜欢“朋友”，也是“群居动物”，相互间的引力将它们吸引到一起进而发生星系并合。之前提到每个星系都有黑洞，如果星系并合的话，星系中心的黑洞应该也会并合，不是吗？这难道不是很迷人的现象吗？观测上我们能否找到这种双黑洞系统？能否找到超大质量黑洞的并合事件？科学家特罗恩和他的同事曾讨论过 30 倍太阳质量的黑洞并合事件，而超大质量黑洞是10万、100万甚至10亿倍太阳质量的黑洞，怎样找到它们的并合事件呢？我们预测这些事件发生所辐射的引力波信号不是激光干涉引力波天文台探测到的那种高频信号，应该是频率非常低的信号，信号周期不是秒的量级，而是年的量级。可喜的是，我们有希望在不久的将来检测到这种现象。