WeChat ID kexuedayuan Intro 中国科学院官方科普平台。前沿、权威、有趣、有料。 作者：罗斌（南京大学天文与空间科学学院） 来源：NASA/CXC/Penn State/罗斌等 看到这幅图，相信很多人都在想，这星星点点的光斑是什么呢？难道是什么黑科技？想传达什么信息？ 实际上，这可是天文学家们最近得到的宝贝，它是美国航空航天局（NASA）钱德拉（Chandra） X射线太空望远镜所拍摄的一幅X射线图像，并且是有史以来曝光时间最长因而最为灵敏的河外X射线观测得到的图像。 这幅图像总共耗用了钱德拉望远镜约七百万秒（81天）的曝光时间，那七百万秒曝光时长又是个什么概念呢？ 没有对比就没有差距，我们的手机相机的曝光时间通常是千分之一秒量级，也就是说，这次钱德拉望远镜的曝光时长是我们手机日常拍照曝光时长的数十亿倍！ 科学家拍这幅图有什么用呢？上边提到的钱德拉深巡天究竟是做什么的？原来，它是用来研究黑洞的，而且是超大质量的黑洞。 这幅图像中的颜色就代表了钱德拉的X射线能量：低等能量的是红色、中等能量的为绿色、高能的就是蓝色。 图像中的亮点大多数都是活跃增长中的超大质量黑洞，这些黑洞的质量范围约10万到100亿倍太阳质量之间。 虽然整个巡天区域面积仅仅只是满月面积的百分之六十，但天文学家们仍从这次最深的X射线巡天观测中，发现了前所未有的高天空面密度的超大质量黑洞，这种超大质量的黑洞在满月大小的区域中能达到5000个，而在全天预计能有10亿个这样的黑洞。 钱德拉X射线卫星中心、詹姆斯·韦伯太空望远镜等单位对这项成果进行了新闻发布，美国宾州州立大学的Niel Brandt教授在第229届美国天文学会年会的新闻发布会上也对相关发现做了通报。 基于这项成果，咱们今天一起来探究一下，这项成果中最重要的超大质量黑洞。 Q1 超大质量黑洞是个啥？ 大家对黑洞这个词本身可能并不陌生，它频繁出现于引力波的新闻报道和各类科幻电影中。 通常，人们提到的黑洞一般是指恒星量级的黑洞，质量大约在3－100倍太阳质量之间，是大质量（约25倍太阳质量以上）恒星最后塌缩形成的。 作为这些恒星质量黑洞的 “巨无霸”同胞，那些质量范围在10万到几十亿，甚至上百亿倍太阳质量之间的黑洞，被称为超大质量黑洞。 与恒星质量黑洞相比，这些超大质量黑洞的形成机制以及其在宇宙中的分布状况都还是未解之迷，目前科学家们通过观测，仅发现这类黑洞广泛存在于大质量星系的中心，包括我们的银河系。 Q2 如何证明超大质量黑洞的存在？ 实际上，超大质量黑洞存在的最强证据，就是来自于我们银河系中心。 由于光线都不能逃逸出黑洞，因此黑洞本身并不能被直接探测到，天文学家通过对银河系中心附近多个恒星运动轨道二十多年的精确测量，推断出它们中间小于1光周（光传播一周的距离，约1800亿公里）的尺度里面存在一个质量约四百万倍太阳质量的天体。 这样的致密天体，唯一的可能性就是一个四百万倍太阳质量的黑洞。 再者，超大质量黑洞中有一些是十分活跃的，天文学家对超大质量黑洞的观测研究主要针对这类活跃增长中的黑洞。它们位于星系的中心，贪婪地吞噬星系中的气体以获得自身的增长，气体在落向黑洞视界的过程中会被加热，从而产生可以被探测到的电磁波辐射，而被观测到的天体被称为活动星系核。 在二十世纪二三十年代，这类天体刚被发现不久，当时它们也被称为类星体，因为在光学图像上看它们和恒星非常相似。当然，当时的科学家们还没有黑洞的概念，也不知道这类天体的本质是什么。 这类增长中的超大质量黑洞是宇宙中的一种极端天体，它们可以在星系万分之一的尺度里面产生星系一万倍的能量，并通过全波段的电磁波辐射到宇宙中，包括射电、红外、光学、紫外、X射线辐射等。 近年来，随着观测手段的进步，天文学家们对超大质量黑洞的理解有了长足的进步。 目前观测到的最遥远的增长中的超大质量黑洞，位于宇宙大爆炸后约8亿年，而我们目前的宇宙年龄约137亿年，也就是说我们观测到了129亿年前黑洞附近的电磁波辐射。 观测证据还表明，在这上百亿年的时间里，很有可能超大质量黑洞的增长演化是与它们所属星系的演化息息相关的。 同时，人们发现原来明亮的类星体只是超大质量黑洞的冰山一角，更多比例的黑洞质量增长可能是以更缓和（相对较小质量星系中）以及更隐蔽（被气体和尘埃所遮蔽）的形式进行的，不能被通常的光学观测所发现。 Q3 X射线深巡天究竟是什么？ 基于目前对超大质量黑洞的了解，天文学家们开始尝试解答如下两个基本问题：超大质量黑洞是如何形成的？它们是如何在宇宙学的时标中与星系共同演化的？ 然而，要解决这些问题的前提是探测到一个相对全面完备的超大质量黑洞样本，这就需要本文开头提到的X射线深度曝光观测。 由于这类天文观测没有特定的指向目标，而是对一片天区进行全面探测，因此也被称为X射线深巡天。超大质量黑洞的增长（吞噬气体）通常伴随着显著的X射线辐射，而X射线辐射对气体和尘埃有很强的穿透性（这也是为什么医院可以用X光拍摄人体牙齿和骨骼的照片），因此X射线是探测到这些黑洞的有效及高效手段。 钱德拉太空望远镜的额外优势是它的精密仪器设计使得它的观测几乎没有本底噪音同时具有所有同类仪器中最好的空间分辨率，因此天文学家可以通过增加曝光时间的方法来探测到更多更弱的X射线光源——绝大多数这些X射线源都是增长中的超大质量黑洞，这也是七百万秒钱德拉X射线深巡天的由来，而这一巡天被称为钱德拉南天区深巡天。 目前天文学家们正在对这个相对完备的大样本黑洞的数十亿年宇宙学增长做系统性研究，其中部分关于超大质量黑洞的物理性质及“种子”的研究成果已经发表。 本期科学主编： 苟利军（中国科学院国家天文台） （本文首发于科学大院，转载请注明出处并保留下方二维码） 大院热门文章top榜 点击文章标题，可直接阅读哦~ 1、基因检测，预报你的酒量、儿子智商和死亡时间？ 2、一篇论文5154位作者，究竟怎么署名？ 3、Amazing！究竟是眼睛错了还是大脑bug？ 4、“脸盲症”真的是病？ 5、五次方程里的英雄泪 6、植物上那些黄黄绿绿、没根没叶的丝状物究竟是啥？ 7、比手机频率高出1000倍的宇宙辐射能量，是怎样的存在？ 8、长臂猿：我不只是个跑龙套的类人猿！ 9、春节技能get，脑科学教你如何更会吃！ 10、那些发生在2016年的中科院重大科技进展 科学大院 ID：kexuedayuan 从此，爱上科学~ 长按二维码，即刻关注 转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn Reward 长按二维码向我转账 受苹果公司新规定影响，微信 iOS 版的赞赏功能被关闭，可通过二维码转账支持公众号。 Scan QR Code via WeChat to follow Official Account