如何給黑洞“稱重”？隻需要一台望遠鏡

黑洞吞噬周圍物質產生輻射的想象圖。

人有多重站上體重計就知道，可是你知道怎麼給黑洞來“稱重”麼？而且是給宇宙中最巨大的“超大質量黑洞” “稱重”？當然用來描述黑洞的是“質量”而非“重量”。宇宙裡有超過萬億個星系，每個星系中心都存在超大質量黑洞，它們的質量動輒數百萬倍於太陽，大的甚至超過1億倍！這些數字都是怎麼測量出來的呢？

給黑洞測質量——隻需要一台望遠鏡

其實許多星系中心的黑洞並沒有那麼“黑”，它們在吞噬物質時會發出耀眼的光芒。由於這些黑洞看起來很亮，甚至比整個星系都亮，所以天文學家給這些星系的核心區域起名“活動星系核”。

活動星系核中心有一些圍繞黑洞運動的由氫原子、氫離子等組成的“雲塊”。黑洞吞噬物質所發出的光照亮這些雲塊后，天文學家就能夠在望遠鏡中看到雲塊“反射”過來的信號——光譜中的發射線。正是通過望遠鏡觀測黑洞吞噬物質時的亮度（光譜上的連續譜）變化，以及光譜上相應發射線的變化，天文學家能夠知道雲塊到黑洞的距離、運動速度等信息，進而得到中心的黑洞質量。

我國黑洞“量體師”計劃丈量宇宙距離

超大質量黑洞作為宇宙裡最引人關注的天體之一，其質量測量就像知識大廈底部的根基。國際上有許多團隊都致力於這方面的工作。

我國就有這樣一個團隊，成員是來自中科院高能物理研究所、中科院雲南天文台、北京大學、中國科學技術大學、南京師范大學等多家國內研究機構和大學的超過20名天文學家和研究生，以及2名來自以色列的著名天文學家。在王建民和白金明研究員的領導下，受到國家自然科學基金委員會和中國科學院的大力支持，他們正投身於測量活動星系核中心的黑洞質量，並致力於提高質量測量精度。他們有著一個雄心勃勃的計劃：實現中國天文學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。

從2012年起，團隊的觀測組成員就輪流駐守在雲南天文台麗江觀測站，利用那裡的2.4米望遠鏡進行觀測。來自高能所的副研究員杜璞就是這個團隊中的一員。杜璞與同為團隊成員的高能所副研究員胡晨等一起摸索出了從觀測、流量定標到測量分析的整套技術，使測量精度達到了國際同類型觀測的最高水平（1%至2%）。到2017年底，團隊觀測了超過1200個夜晚，測量了30多個黑洞的質量。而此前30多年裡，由於觀測難度較大，國際上一共隻完成了40多個黑洞的測量。

有些黑洞沒那麼大

團隊不但將活動星系核黑洞質量測量的數量擴大了近一倍，還發現了一個有趣的新現象。

這些吞噬物質的黑洞，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，同類型觀測均集中在較易觀測的“吃得慢”黑洞，而“吃得快”黑洞測量難度較大（變化微弱），正是由於觀測組成員使測量精度提高，才能測出這些黑洞的質量。他們發現，高吸積率源的發射線相對連續譜變化的時間延遲特別短，意味著它們的質量比原先猜測小很多。並且，這些黑洞周圍物質裡產生的光子來不及逃逸就和物質一起掉進黑洞，所以它們沒預想中那麼明亮（稱作“光子囚禁效應”）。該結果很快引起廣泛關注，因為這說明之前對於黑洞的許多理解都是不對的，比如遙遠的早期宇宙中看到的黑洞，質量可能比猜測的小很多，甚至差別達10倍！

2017年年底，國際上著名的斯隆數字巡天項目黑洞監測子項目公布了他們第一年的結果。這一子項目由美國伊利諾伊香檳分校、賓州州立大學等多家機構組成。他們也發現在觀測目標中存在相似的現象，支持了我國團隊的觀測結果。

獲獎論文：

北京市科協主辦第十四屆北京青年優秀科技論文一等獎 《高吸積率活動星系核中的超大質量黑洞IV：Hβ發射線的時間延遲以及對超愛丁頓吸積的意義》

論文作者：

中國科學院高能物理研究所副研究員杜璞