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利用地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家在20世紀(jì)80年代就開始對幾個(gè)非常近鄰的正常星系如M31和M32的中心區(qū)域開展了光譜觀測，試圖利用吸收線光譜示蹤的氣體運(yùn)動(dòng)來得到中心黑洞存在的證據(jù)，但鑒于空間分辨率有限，結(jié)果有很大不確定性。直到1990年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后，這一情況才得以顯著改善。哈勃望遠(yuǎn)鏡具有高達(dá)0.1角秒的空間分辨率，觀測能力往往比地面望遠(yuǎn)鏡高上10倍，它在1995年后對近鄰星系中心的觀測極大地改善了原來地面望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果，而且還對很多更遙遠(yuǎn)星系的中心區(qū)域進(jìn)行了觀測，精確測量了這些星系中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。
來源：視覺中國
測量近鄰星系中心黑洞質(zhì)量的方法一般有三種，即利用中心黑洞周圍恒星、電離氣體以及微波脈澤動(dòng)力學(xué)方法。前兩者被大量應(yīng)用于哈勃望遠(yuǎn)鏡及地面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡對幾十個(gè)近鄰星系中心黑洞的觀測中。近20年來，利用計(jì)算機(jī)控制望遠(yuǎn)鏡鏡面形狀的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)普遍應(yīng)用于地面大型望遠(yuǎn)鏡的紅外波段天文觀測中，通過鏡面變形有效消除地球大氣的影響可獲得高達(dá)0.01角秒的空間分辨率。
德國天文學(xué)家根澤爾和美國天文學(xué)家蓋茲基于這一技術(shù)分別利用位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡和美國夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡對銀河系中心黑洞周圍幾十顆恒星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了長達(dá)20多年的紅外波段監(jiān)測，確定銀河系中心黑洞質(zhì)量為400萬倍太陽質(zhì)量（兩人與彭羅斯一起分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。
自1995年以來，利用射電望遠(yuǎn)鏡干涉的微波脈澤動(dòng)力學(xué)方法通過探測圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)的分子氣體盤的開普勒運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合干涉技術(shù)所具有的毫角秒級(jí)超高空間分辨率，科學(xué)家可以非常準(zhǔn)確地測量一些近鄰星系中心的黑洞質(zhì)量。
近幾年，這一技術(shù)也擴(kuò)展到通過利用毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（如智利的ALMA）探測一氧化碳分子氣體的運(yùn)動(dòng)來測量近鄰星系的中心黑洞質(zhì)量。美國天文學(xué)家通過對星系NGC135和NGC4261的ALMA望遠(yuǎn)鏡觀測，得到其中心黑洞質(zhì)量分別為20.8億和16.7億倍太陽質(zhì)量。
對近鄰星系中心超大質(zhì)量黑洞的直接成像是近年來黑洞研究方面取得的最具突破性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)這一成像需要高達(dá)幾十微角秒的空間分辨率。2019年4月10日，由世界上200多位天文學(xué)家組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作團(tuán)隊(duì)公布了在2017年4月利用全球8個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡組成的全球EHT甚長基線干涉陣列拍攝的首張黑洞照片，引起舉世轟動(dòng)。這一黑洞位于距離地球5000萬光年的橢球星系M87中心，照片上可直接看到黑洞的“陰影”和環(huán)繞著黑洞陰影但亮度南北不對稱的光環(huán)。這是天文學(xué)家利用地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡陣列得到至今最高的空間分辨率（20微角秒）所拍攝的毫米波段天體的照片，其中的陰影直接證明了黑洞的存在。EHT8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的干涉得到了更為準(zhǔn)確的M87星系中心離地球的距離為5.48千萬光年，根據(jù)陰影大小得到M87中心黑洞的質(zhì)量為65億倍太陽質(zhì)量。
2022年5月12日，EHT國際合作團(tuán)隊(duì)又公布了2017年4月同樣利用EHT干涉陣列拍攝的銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的照片，從照片上仍然可看到黑洞的陰影和環(huán)繞著黑洞陰影的光環(huán)。陰影的大小也證實(shí)了銀河系中心存在質(zhì)量為400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。眼見為實(shí)，這些黑洞照片讓人類從視覺上感受到了超大質(zhì)量黑洞的存在。我國由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭也有十多位科學(xué)家參加了這些黑洞照片的拍攝工作，為此作出了重要貢獻(xiàn)。
（作者系北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授、系主任，科維理天文與天體物理研究所副所長）
責(zé)任編輯：胡惠雯
