天文學(xué)" title="天文學(xué)">天文學(xué)家們近日表示，得益于一種新的方法，他們已經(jīng)得到了有關(guān)我們附近宇宙中最大質(zhì)量黑洞" title="黑洞">黑洞確切的質(zhì)量和大小估算值。
一直以來(lái)，天文學(xué)家們一直都知道在M87星系的核心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，但是關(guān)于它究竟有多大，學(xué)術(shù)界則意見(jiàn)不一。一些意見(jiàn)認(rèn)為這個(gè)黑洞大約具有30億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。不過(guò)，在2009年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)麥克唐納天文臺(tái)的卡爾·吉布哈特(Karl Gebhardt)采用新方法對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后給出了不同的答案：64億倍太陽(yáng)質(zhì)量。
“不過(guò)這還有很大的不確定性，”吉布哈特說(shuō)。近日，他和他的同事們正式宣布了他們使用更精確的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。這些數(shù)據(jù)來(lái)自夏威夷雙子天文臺(tái)以及麥克唐納天文臺(tái)的觀測(cè)。計(jì)算顯示，M87中央黑洞的質(zhì)量不會(huì)小于66億倍太陽(yáng)質(zhì)量，誤差正負(fù)4億倍太陽(yáng)質(zhì)量。
對(duì)于一個(gè)距離我們僅有5000萬(wàn)光年的星系，這個(gè)消息不壞。
吉布哈特在此間正在西雅圖召開(kāi)的美國(guó)天文學(xué)會(huì)(AAS)冬季會(huì)議上對(duì)記者表示：“在離開(kāi)我們這么近的距離上，存在這樣的大質(zhì)量星系和黑洞，非常令人激動(dòng)。你知道，這個(gè)距離真的就相當(dāng)于是我們的后院一樣。”
這項(xiàng)研究已經(jīng)被《天體物理學(xué)雜志》接受，即將發(fā)表。
這是一幅藝術(shù)想象圖，模擬的是未來(lái)當(dāng)我們的技術(shù)可以允許我們看到M87核心時(shí)將會(huì)看到的景象。大量氣體圍繞在中央黑洞周圍的吸積盤上，不斷流向黑洞視界范圍內(nèi)。圖像中間的黑色部分就是黑洞本身，即視界定義的范圍，在這一范圍以內(nèi)，任何物質(zhì)都無(wú)法逃逸。
這是其中一個(gè)新近發(fā)現(xiàn)的“雙黑洞”。左側(cè)的圖像來(lái)自斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目（SDSS）。而右側(cè)的圖像來(lái)自凱克天文臺(tái)，其分辨率允許辨別出兩顆緊靠在一起的活動(dòng)星系核，它們的強(qiáng)大能量來(lái)自黑洞的驅(qū)動(dòng)。
觀測(cè)和計(jì)算過(guò)程
吉布哈特的小組運(yùn)用了雙子望遠(yuǎn)鏡上的一種設(shè)備，名為“近紅外場(chǎng)光譜儀" title="光譜儀">光譜儀”。它能測(cè)量圍繞黑洞運(yùn)行的恒星的速度。當(dāng)然這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡不能直接看清單個(gè)的恒星，但是借助自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，這臺(tái)光譜設(shè)備的分辨率足以幫助小組研究人員確定星群的平均移動(dòng)速度。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的微調(diào)系統(tǒng)，用以計(jì)算并補(bǔ)償由于大氣擾動(dòng)產(chǎn)生的光學(xué)成像模糊現(xiàn)象，從而大幅提高地面望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。
而另一方面，吉布哈特的同事，他的研究生杰里米·穆菲(Jeremy Murphy)則在麥克唐納天文臺(tái)，使用哈蘭·史密斯望遠(yuǎn)鏡(Harlan J. Smith Telescope)上的一臺(tái)設(shè)備來(lái)追蹤M87星系外緣恒星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。VIRUS-P光譜儀收集“天空的星光”，并判斷這整個(gè)星系的總質(zhì)量，包括圍繞星系邊緣分布的暗物質(zhì)。計(jì)算的結(jié)果是5.7萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量。
所有這些結(jié)果被輸入計(jì)算機(jī)以便生成一個(gè)電腦模型，最后的計(jì)算結(jié)果是一個(gè)約66億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，視界直徑達(dá)200億公里。“這差不多是冥王星軌道距離的三倍，這個(gè)黑洞能毫不費(fèi)力地吞下整個(gè)太陽(yáng)系。”
吉布哈特表示，他的小組的工作顯示了我們有能力判斷遙遠(yuǎn)星系中黑洞的質(zhì)量，只要我們能運(yùn)用高精度的設(shè)備測(cè)量出其周圍的恒星運(yùn)動(dòng)數(shù)值。他說(shuō)：“這給了我們信心去對(duì)更遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行測(cè)量研究。”
其中就有這樣一個(gè)星系，距離地球達(dá)35億光年，據(jù)稱含有一個(gè)180億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。如果被證實(shí)，這將使M87中央的超大質(zhì)量黑洞相形見(jiàn)絀。但是目前的這一估算值是建立在間接的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的，吉布哈特希望他能運(yùn)用第一手的測(cè)量數(shù)據(jù)去做出更好的判斷。
直接觀測(cè)黑洞的嘗試
正如許多科幻迷們所熟悉的，黑洞是一種超級(jí)致密的奇異天體。它擁有極強(qiáng)的引力，使得即便光束也無(wú)法從它的表面逃離。任何進(jìn)入它的邊界，即所謂“視界”范圍之內(nèi)的信息和物體將無(wú)法離開(kāi)。黑洞可能形成于恒星生命最后的急速塌縮，或成為星系的超大質(zhì)量核心。目前，天文學(xué)家們已經(jīng)觀測(cè)到似乎源自黑洞的噴流和輻射現(xiàn)象，甚至還觀測(cè)到了圍繞黑洞運(yùn)行的炙熱氣體吸積盤。但至今尚沒(méi)有一起黑洞的直接觀測(cè)記錄。
“目前尚沒(méi)有直接的證據(jù)證明黑洞確實(shí)存在，就觀測(cè)證據(jù)而言，絕對(duì)是一片空白。”吉布哈特在雙子天文臺(tái)的一場(chǎng)發(fā)布會(huì)上說(shuō)。“在現(xiàn)階段，為了確認(rèn)黑洞的存在，我們采用的是排除法。也就是說(shuō)，對(duì)于某些天文現(xiàn)象，除了黑洞，其他解釋看起來(lái)真的站不住腳。”
吉布哈特很希望自己能直接看到黑洞，或僅僅是它的視界邊界也行。他認(rèn)為對(duì)于這個(gè)想法，M87將是個(gè)很好的候選目標(biāo)，因?yàn)樗馁|(zhì)量很大。我們所在的銀河系中心也有一個(gè)黑洞，不過(guò)要小得多，可能僅有400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量。這僅僅相當(dāng)于M87中央黑洞最新估算值正負(fù)誤差范圍的1%。
不管你信不信，一些天文學(xué)家正在謀劃著實(shí)施一個(gè)宏偉的計(jì)劃，名為“視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope)，其目標(biāo)就是對(duì)銀河中央的黑洞進(jìn)行觀測(cè)。這項(xiàng)計(jì)劃需要調(diào)動(dòng)甚長(zhǎng)基線干涉儀(VLBI)的全部射電望遠(yuǎn)鏡，并采用亞毫米波接收器。這樣就有可能獲得銀河中央黑洞視界范圍的圖像。
“我們還需要兩三年時(shí)間來(lái)實(shí)施這個(gè)計(jì)劃，”吉布哈特說(shuō)。并且當(dāng)視界望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)備就緒時(shí)，他希望M87將成為候選目標(biāo)。“這可是目前我們所知最清晰，最好的黑洞候選目標(biāo)。”