超大质量黑洞：星系中心的“怪兽”(3)

　　对近邻星系中心超大质量黑洞的直接成像是近年来黑洞研究方面取得的最具突破性的进展，实现这一成像需要高达几十微角秒的空间分辨率。2019年4月10日，由世界上200多位天文学家组成的事件视界望远镜(EHT)国际合作团队公布了在2017年4月利用全球8个毫米波望远镜组成的全球EHT甚长基线干涉阵列拍摄的首张黑洞照片，引起举世轰动。这一黑洞位于距离地球5000万光年的椭球星系M87中心，照片上可直接看到黑洞的“阴影”和环绕着黑洞阴影但亮度南北不对称的光环。这是天文学家利用地球直径大小的望远镜阵列得到至今最高的空间分辨率(20微角秒)所拍摄的毫米波段天体的照片，其中的阴影直接证明了黑洞的存在。EHT8个望远镜的干涉得到了更为准确的M87星系中心离地球的距离为5.48千万光年，根据阴影大小得到M87中心黑洞的质量为65亿倍太阳质量。

　　2022年5月12日，EHT国际合作团队又公布了2017年4月同样利用EHT干涉阵列拍摄的银河系中心超大质量黑洞的照片，从照片上仍然可看到黑洞的阴影和环绕着黑洞阴影的光环。阴影的大小也证实了银河系中心存在质量为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。眼见为实，这些黑洞照片让人类从视觉上感受到了超大质量黑洞的存在。我国由中国科学院上海天文台牵头也有十多位科学家参加了这些黑洞照片的拍摄工作，为此作出了重要贡献。

　　如何测量黑洞？

　　为活动星系中心的超大质量黑洞“称重”

　　虽然动力学方法在近邻星系中心黑洞质量的测量中取得了一定成果，但由于绝大部分活动星系的中心太亮，发光最强的类星体也更为遥远，因此，恒星和气体动力学方法并不适用，必须使用其他方法得到其中心黑洞的质量。

　　在很多赛弗特星系和类星体的光谱中存在强而宽的发射线，发射线的宽度可反映宽发射线区气体的运动速度。通过一种名为“光谱反响映射”的技术，科学家们利用望远镜从对这些天体的长期光谱监测得到的宽发射线和连续谱强度的光变曲线中得到两者的时间延迟，由此可以得到宽发射线区到中心黑洞的半径，这样就可以仿照测量近邻星系中心黑洞质量的动力学办法通过宽发射线区的半径和速度，得到活动星系核中心黑洞的质量。

　　过去30多年间，包括我国科学家在内的诸多团队已通过这一方法，观测到了100多个赛弗特星系和类星体的黑洞质量。结果显示，赛弗特星系的黑洞质量一般为百万到上亿倍太阳质量，而类星体的黑洞质量一般为千万到几十亿倍太阳质量。

　　光谱反响映射技术因为需要占用较多的望远镜观测时间才能获得较长时间的光变数据，应用范围还很有限。不过，天文学家们通过对已有的结果总结出了规律——发射线区半径和连续谱光度之间的经验关系(R～L关系)。这样，利用对活动星系核的单次光谱观测获得连续谱光度和宽发射线宽度，再应用这一经验关系就可获得发射线区半径，就能够估算出中心黑洞质量。

　　这一方法已广泛应用于如美国斯隆数字巡天(SDSS)和我国郭守敬望远镜(LAMOST)光谱巡天中的类星体巡天项目。目前天文学家已发现几十万个类星体，其中，我国天文学家利用LAMOST望远镜就新发现了2万多个类星体。利用对宽发射线的测量获得了这几十万个类星体的中心黑洞质量，其质量大多分布在从千万到百亿倍太阳质量的范围内。

　　R～L经验关系也被用于通过红外波段的光谱观测估计一些最遥远类星体中心的黑洞质量。2015年北京大学领导的团队利用中国科学院云南天文台丽江2.4米望远镜发现了宇宙早期发光最亮的类星体J0100+2802，中心黑洞质量高达120亿倍太阳质量，是宇宙早期质量最大的黑洞。2021年美国亚利桑那大学领导的团队发现了类星体J0313-1806，中心黑洞质量为16亿倍太阳质量，是目前已知最古老的黑洞。