科学家如何测量黑洞质量？

盘状星系中央黑洞的艺术家印象图。这个位于NGC4526的黑洞重量是太阳的4.5亿倍。

国外媒体报道，最新研究表明，环绕黑洞的旋转气体可能是测量遥远黑洞质量的关键因素。一直以来，科学家认为在所有大型星系中央都存在超大质量黑洞，后者质量一般是太阳质量的几百万甚至几十亿倍。奇怪的是，这些黑洞的特性似乎与它们母星系的一系列特征有关，例如母星系的亮度，母星系内部恒星的旋转速度等。这表明星系与黑洞进化之间存在一种基本的关系。

“这实在是不可思议，同时也令人费解，因为这些基本的关系将黑洞和太阳系及其它星系世界连接起来。”研究主要作者、德国加尔兴欧洲南方天文台的天体物理学家提摩西·戴维斯（Timothy Davis）这样说道。“为什么巨大星系与内部黑洞存在如此重要的联系，现在还是个未知数。”

位于美国加州东部因约山区的毫米波天文组合阵（CARMA）望远镜。

解开这个神秘之谜的方法之一便是研究不同类型星系内部黑洞的质量。例如，早期椭圆星系“被认为经历了动荡的过去，发生了很多星系合并活动，在活动期间或可能同时产生了黑洞和星系。”戴维斯这样说道。“另一方面，类似我们银河系这样的旋转星系被认为具有较为平静的发展历史，猛烈的干扰活动相对较少。如果星系合并对黑洞的产生至关重要，那么旋转星系内部的黑洞与星系特性之间的关系可能有所不同。”

哈勃太空望远镜观测的NGC4526图片。

测量黑洞质量

关于如何推测出黑洞的质量，科学家提出好几种不同的方法，大多数都涉及观测恒星的运动或者环绕黑洞的炙热发光带电气体盘的运动。黑洞的质量决定了它自身引力场的强度，继而决定了它吸引周围环绕物质的能力。然而，这些方法都依赖于能够观测到恒星和气体发出的光的望远镜。

最新的技术依赖于黑洞附近环绕的冷却气体云的动态性。通过比较黑洞存在或不存在时气体运动的模型，研究人员能够推测出黑洞的质量下限，也即要产生这些天文学家观测到的气体运动，黑洞的质量最少是多少。分子气体观测能够克服观测恒星或电离气体时所要面临的分辨率极限问题，这将帮助研究人员更好的测量遥远黑洞的质量。

位于智利阿塔卡马沙漠的ALMA望远镜正在建造中。利用这款最新望远镜，它将帮助科学家测量上百个星系内部的黑洞质量。

科学家将这个最新模型应用于星系NGC4526中央超大质量黑洞周围的气体，该星系位于5300万光年远的处女座。他们使用了位于美国加州的毫米波天文组合阵（CARMA）望远镜。“我们利用CARMA阵列观测NGC4526，获得了0.25角分的分辨率，”戴维斯说道。“这相当于能够观测到10千米远的一枚欧元硬币！利用这些超高分辨率图片我们能够放大NGC4526的中央区域，观测环绕黑洞的旋转气体。”

科学家估计NGC4526中央黑洞的质量大约是太阳质量的4.5亿倍。“这是首次利用分子气体观测测量黑洞质量。”

这种最新方法利用了下一代科研仪器，例如阿塔卡马大型毫米/亚毫米波射电望远镜阵（ALMA）,它只需要对星系进行不到5个小时的观测，就能帮助科学家确定上百个星系的中央黑洞的质量。“利用位于加州的CARMA望远镜，我们对一个天体的观测时间至少需要100个小时。”戴维斯说道。“而利用最新的位于智利的ALMA望远镜，同样的测量只需要10分的观测！”

“接下来，我们将利用ALMA望远镜观测一个旋转星系样本，并确定该样本星系内部黑洞的质量。我们还将观测至少10个天体，它将帮助我们确定这些黑洞是否遵循早期星系的星系—黑洞质量关系。”科学家将这篇研究发表在1月30日的自然期刊上。（编译/严炎刘星）