黑洞周围居然能发光？没错，而且可能还不弱

　　黑洞对大多数人算熟悉又陌生，我们经常在科幻故事中看到它，但我们却不曾了解它，4月发布的首张黑洞照片大概是公众离真实的黑洞最近的时候。对于科学家来说，黑洞意味着什么？如何研究它？它又如何帮助人来了解宇宙的历史呢？中国科学院上海天文台副研究员左文文将和大家分享《锁定119亿光年之外的黑洞》。

　　以下为左文文演讲实录：

　　我是来自中国科学院上海天文台的左文文。

　　很多时候，当大家听说我来自天文台，就会问：气象预报是不是你们做的？我摇摇头，那是我们对面气象台做的事情。还有人会问：你们是不是经常去看星星？很浪漫。我说有些同事会经常出去看星星，我倒没有那么新潮，因为我是研究黑洞的。

　　黑洞真的存在吗？

　　答案是：有的。

　　今年4月10日，天文学家发布了人类捕获的首张黑洞照片。这张照片展现的是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的超大质量黑洞周围吸积盘或者喷流所产生的光。

　　在黑洞强引力的作用下，周围的气体会向中间下落；又因为这些气体本身在转动，所以这些气体会一边转一边下落，慢慢地在黑洞的周围形成一个吸积盘状结构。而那些还没有掉落到黑洞内部的气体，很可能会向外产生喷流。

　　为什么吸积盘和喷流能发光？大家可以类比一下水力发电：水从高处落下，引力势能转化成机械能，然后机械能推动机器发电，再转化为电能。黑洞周围的气体在下落的过程中，释放出的引力势能也能转化为光和热。

　　黑洞的质能转化效率非常高，甚至高于核聚变。如果把太阳核聚变，比喻成每往银行存1000块钱，可以得到7元利息；那么黑洞吸积周围物质发光，就相当于存100块钱可以得到十几到40元利息。

　　所以，有一类黑洞确实能够发光。

　　目前我们根据质量，把宇宙当中的黑洞分成了三大类：恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。

　　在银河系中心就有一个超大质量黑洞，它的质量大概是太阳的410万倍。但由于距离我们比较遥远（2.6万光年），它对我们的引力其实微乎其微、可以忽略不计。银河系当中还有很多恒星级质量黑洞，我们也在不断探索。

　　但是我所关心的黑洞，既非那个M87中心黑洞，也不是银河系中心的黑洞，而是距离我们非常遥远的、119亿光年之外的一批黑洞。更准确地说，它们有一个名字叫做“类星体”。

　　这张是它们在光学波段的图像。我关心的类星体是最中心的那个点，它看起来是不是很像一颗恒星？但它不是一颗恒星，也不是一个星系，而是一个活跃星系的中心。简单理解，它也是个黑洞，但是还在活跃地吃着东西，再加上有很强的质能转化效率，所以它能发出很强的光。

　　一个典型的类星体，虽然看起来很渺小，但是每秒钟所发出的光的能量是一个普通星系（比如说银河系）的几千倍。所以别看它小，它的能量很强。

　　类星体是活动星系核，这张图展示的是活动星系核的一个简化的统一模型——我强调“简化”，因为其中很多细节还在研究当中。大家可以看一下，最中间那个点就是黑洞；黑洞外面还有一圈非常小的环，就是吸积盘。在吸积盘的外围上下方，大家能看到一些点状或者块状结构，我们认为是气体云块——你可以理解为是一团团气体在那里。距离黑洞比较近的那部分气体云块，我们称作为宽线区。

　　黑洞周围的吸积盘能发光，它所发出的高能的光子（比如紫外线、X射线）向外传播，当这些光子抵达气体云块的时候，它能够激发（也叫电离）那里面的气体，从而产生一条条发射线。

　　拍摄光谱，就像将光色散开来，展现在不同波长处的亮度分布。最直接的一个案例是三棱镜可以把太阳光色散成红橙黄绿蓝靛紫。同样，如果对类星体内一个点拍摄光谱，可以看到明显的发射线（图左）。同时，发射线之下可以拟合得到一条连续的辐射，叫做连续谱。目前我们认为，连续谱主要来源于黑洞周围的吸积盘。

　　质量是黑洞最重要、最关键的性质之一。那么，能否利用该特性估算出黑洞的质量呢？

　　这个问题虽然很难，但可解——

　　我们知道，如果了解地球的运动状态（比如一年围绕太阳公转一圈）以及地球与太阳的距离（一倍日地距离），就能够算出来太阳的质量是多少。类星体其实也一样，如果能知道气体云块的运动方式及距黑洞的距离，就能够估算出黑洞质量。

　　于是问题就简化成：如何找到气体运动的运动状态？如何知道气体云块到黑洞的距离？

　　第一个问题比较简单。类星体的谱线不是直直的一根线，而是有一个展宽的分布，这是因为气体云块在围绕着黑洞高速运动。所以反过来，我可以从线的展宽推导出气体的运动方式。

　　第二个问题就有些难了。距离那么遥远的黑洞，我怎么知道周围的气体云块到它有多远？

　　这里给大家呈现一种直接但是非常清晰的图景。连续谱的亮度主要源自吸积盘，宽发射线源自这些气体云块。于是，我长时间地监测吸积盘和气体云块发出的光，发现二者之间存在具有一定时间延迟的响应——就好像吸积盘在练习瑜伽，气体云块也跟着练习。

　　为什么会有时间延迟呢？因为光的传播需要时间。所以，根据延迟的时间，我就能推算出气体云块到吸积盘（或者说近似地到达黑洞中心）有多远了。

　　于是，便可以推算出黑洞的质量了。

　　这个计划看起来很完美，但问题就在于，必须要长时间多次监测——短则几个月，长则几年，不光成本太高，而且没有办法去推广到更多的黑洞。

　　于是我们就有了另外一种很聪明的做法。在刚才的众多发射线当中，有三条非常具有代表性，分别是CIV线、Mgll线和 Hβ线，分别用小虎、小猪和小熊表示。在接下来的故事中，请大家想象它们始终排在一条线；而这里面的波长数字就是它们的基因代码。

　　天文学家发现，针对一个小样本，宽线区的尺寸和小熊线附近的连续谱强度有关系，因此能从连续谱的强度推测宽线区的尺寸。这就意味着，将来不用长时间观测，只要对一个类星体拍一次光谱就够了。

　　这是一种经验关系，节省了我们的观测成本，能够同样让我们获得大样本的黑洞质量用于后续的统计分析。我们虽然推广应用了，但同时也在迟疑——这种推广到其他线（如小猪线、老虎先）的做法是否靠谱？又如何去判断？

　　这里要说到光。光不仅仅是我们肉眼看到的可见光，还有其他波段的光，比如红外光。从技术难度和设备的综合要求来看，在光学波段（波长300~900纳米）拍摄光谱的难度要比在近红外波段（波长780~3000纳米）低一些。对应图中，就是拍左边的要比拍右边的简单一些。这也是为什么一开始，那个革命性的经验关系的发现是在光学波段。对于比较临近的类星体，三根发射线站成一排，小熊线落入了光学波段。

　　可是对于一个比较遥远的类星体，三根发射线线站成一排，它们发出的光的频率在红移。所以，对于距离我们110亿光年之外的类星体，可能小熊线就移到了近红外波段，而另外两根线又移到光学波段；而对于更遥远的黑洞（比如说我关心的119亿光年之外的黑洞），小熊线和小猪线都移到了近红外波段。

　　所以我们就想，如果在近红外波段同时获得类星体的这两根线的信息，只要把小猪线和小熊线推算的黑洞质量比一比（默认小熊线是靠谱的），就能判断推广是否可靠。

　　后来我们借助了TAP计划（获取国际望远镜观测时间计划），申请拿到了口径为5.1米的Palomar望远镜的观测时间。我们专门筛选了一批119亿光年之外的类星体样本，对它们进行了近红外观测，最后得到了一个让同行如释重负的结果——两条线的推算结果还挺接近。这就表明了我们曾经迫于无奈，把小熊线的结果推广到小猪线的做法是可行的。

　　帕洛马山天文台（Palomar Observatory）｜Wikimedia Commons

　　那推广到老虎线，还靠谱吗？这是我们接下来要研究的课题。另外我们发现老虎线很特别，它的体型不是很对称，而这种不对称性恰恰可能反映了类星体向外产生外流或者喷流的原因。

　　所以综合这三条线，我们能够更全面地去研究黑洞。

　　从一开始只是好奇去研究类星体，到经常和它们打交道，我对于为什么要研究黑洞——特别是为什么要研究类星体有了更多的理解。

　　首先，黑洞看起来很神秘、很遥远，但是以类星体为例，会发现它确实是很亮的。它可以算得上是宇宙当中的灯塔，使我能够看到很遥远的类星体。遥远就意味着古老，临近就意味着它可能年轻，这就好像我去研究一个人群，有小婴儿、儿童、少年、青年、中年和老年，我可以研究人的一辈子。如果能看到类星体从儿童一直到年老的样子，有助于我去研究它们的成长。

　　此外我们发现，几乎每个有着核球结构的星系中心都有一个超大质量黑洞。而且比较邻近的星系黑洞质量越大，它所在的星系的核球质量也越大。可能意味着，黑洞跟很巨大的星系有着共同演化的历史。我们自己就生活在一个有着核球结构的银河系当中，我想对于这个问题的探究，还得依靠和黑洞相关的研究。

　　纵观科学研究，我去研究119亿光年之外的黑洞，看到的是它在119亿年前发过来的光，所以就像考古，又很像侦探——我试图去从非常有限的光的信息当中，去抽取黑洞的运动信息、距离信息，再结合物理和数学去推算它的质量信息；又很像经济学家——既可以用有限的条件去满足需求，也可以考虑更好观测条件下可以做的更正和拓展。

　　天文学本身也有很多有意思的故事。比如，“我们都是来自星星的孩子”这句话一点都没有错，因为我们身上的很多元素就是来自恒星的演化；恒星在主序阶段（比如说目前的太阳）上演着平衡之歌，讲述了太阳周围物质的引力和太阳向外的气体压、辐射压之间的平衡；宇宙中有很多的不同形态的星系，能告诉我们它们曾经经历了什么，未来又会有怎样的命运。这都是天文学知识本身或者探索过程本身能告诉我们的。

　　演讲嘉宾左文文：《锁定119亿光年之外的黑洞》

　　每当我想到这些的时候，就会很好玩，自己独乐乐真的很不够。所以在毕业之后，我选择了一条能够众乐乐的路子——科研和科普并重的路。这条路，我的同行很少有人走这条路，有时候我自己也会纠结。

　　关心我的朋友告诉我，你步入科普的门路太早，其实可以迟点——因为显然先在科研方面做出很好的成果，然后做科普才更有信服力。人的精力是有限的，花太多时间在科普上，科研肯定就会被耽误。

　　在科普的过程当中，我也会有些疑惑。比如说讲黑洞，如果讲得太深，大家会说听不懂；但是如果讲得太容易，大家会觉得没有水平，因为在书上网上都能找到。

　　这些都是我在做科普工作时遇到的一些困难。

　　其实，今天来到“我是科学家”的舞台，说实话也有点忐忑。因为，曾经登上这个讲台的有我尊敬的叶叔华院士、张双南老师等等，他们都是科研大牛，我自己最多是个科研工作者。但是我选择了这条路，希望让天文科学的魅力为更多人所知。

　　因为我想说，即使是微微光，我们也应该用实际行动去践行科普。

　　所以我在业余时间，组织了上海天文台的很多科研人员进入中小学，送去天文的科普课程。我们也设计了一些科普展览，而且每年指导120个优秀的高中学生去做天文科创工作，助他们在科学研究的道路上走得更好。

　　还有个好消息：由上海天文台出品的“探索天文”系列课程，还有针对小朋友的天文动画片也即将在网上出品，而且是免费的，要感谢上海市科委的支持。

　　之所以推出免费的网上课程，也是为了促进教育公平。因为也许我们没有办法走到很多地方，但是通过网络和新媒体，我们做的这些事情能够被更多有科学梦想但是不见得有条件的小朋友看到。我自己就来自于一个很普通的小城镇，小时候几乎没有听过什么科普报告，但是运气比较好，接受了还不错的教育，一直走到现在。所以我就一直有一个小小的梦想，希望能够促进一点点教育公平。

　　最后我想说，既要仰望星空，也要脚踏实地。不论是科学家、科研工作者还是科普工作者，每个人每天要处理的事情都是比较细节的。但是只要我们有一个梦想的方向，就一定能做好。我很庆幸自己选择了天文成为自己的职业，选择了类星体的研究成为自己的研究领域，我也希望，每个人心里面都会有一个虽然很微小但是在努力发光的类星体作为朋友。

　　心有类星体，心怀宇宙，人生大不同。谢谢大家。

　　演讲嘉宾左文文：《锁定119亿光年之外的黑洞》