利用地面大型光學望遠鏡，天文學家在20世紀80年代就開始對幾個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動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年哈勃空間望遠鏡發(fā)射后，這一情況才得以顯著改善。哈勃望遠鏡具有高達0.1角秒的空間分辨率，觀測能力往往比地面望遠鏡高上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鏡的觀測結(jié)果，而且還對很多更遙遠星系的中心區(qū)域進行了觀測，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力學方法。前兩者被大量應用于哈勃望遠鏡及地面光學紅外望遠鏡對幾十個近鄰星系中心黑洞的觀測中。近20年來，利用計算機控制望遠鏡鏡面形狀的自適應光學技術(shù)普遍應用于地面大型望遠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0.01角秒的空間分辨率。

德國天文學家根澤爾和美國天文學家蓋茲基于這一技術(shù)分別利用位于智利的甚大望遠鏡和美國夏威夷的凱克望遠鏡對銀河系中心黑洞周圍幾十顆恒星的運動進行了長達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年諾貝爾物理學獎）。

自1995年以來，利用射電望遠鏡干涉的微波脈澤動力學方法通過探測圍繞黑洞運動的分子氣體盤的開普勒運動，并結(jié)合干涉技術(shù)所具有的毫角秒級超高空間分辨率，科學家可以非常準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)也擴展到通過利用毫米波陣列望遠鏡（如智利的ALMA）探測一氧化碳分子氣體的運動來測量近鄰星系的中心黑洞質(zhì)量。美國天文學家通過對星系NGC135和NGC4261的ALMA望遠鏡觀測，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展，實現(xiàn)這一成像需要高達幾十微角秒的空間分辨率。2019年4月10日，由世界上200多位天文學家組成的事件視界望遠鏡（EHT）國際合作團隊公布了在2017年4月利用全球8個毫米波望遠鏡組成的全球EHT甚長基線干涉陣列拍攝的首張黑洞照片，引起舉世轟動。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)。這是天文學家利用地球直徑大小的望遠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個望遠鏡的干涉得到了更為準確的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國際合作團隊又公布了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，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。我國由中國科學院上海天文臺牽頭也有十多位科學家參加了這些黑洞照片的拍攝工作，為此作出了重要貢獻。

（作者系北京大學物理學院天文學系教授、系主任，科維理天文與天體物理研究所副所長）

責任編輯：胡惠雯