黑洞有多重？

●石头 编

人有多重？站上体重计就知道，可是你知道怎么给黑洞“称重”么？而且是给宇宙中最巨大的“超大质量黑洞”“称重”？当然用来描述黑洞的是“质量”而非“重量”。宇宙里有超过万亿个星系，每个星系中心都存在超大质量黑洞，它们的质量动辄数百万倍于太阳，大的甚至超过1亿倍！这些数字都是怎么测量出来的呢？

给黑洞测质量——只需要一台望远镜

其实许多星系中心的黑洞并没有那么“黑”，它们在吞噬物质时会发出耀眼的光芒。由于这些黑洞看起来很亮，甚至比整个星系都亮，所以天文学家给这些星系的核心区域起名“活动星系核”。

活动星系核中心有一些围绕黑洞运动的由氢原子、氢离子等组成的“云块”，黑洞吞噬物质所发出的光照亮这些云块后，天文学家就能够在望远镜中看到云块“反射”过来的信号——光谱中的发射线。正是通过望远镜观测黑洞吞噬物质时的亮度变化，以及光谱上相应发射线的变化，天文学家才能够知道云块到黑洞的距离、运动速度等信息，进而得到中心的黑洞质量。

我国黑洞“量体师”计划丈量宇宙距离

超大质量黑洞作为宇宙里最引人关注的天体之一，其质量测量就像知识大厦底部的根基。国际上有许多团队都致力于这方面的工作。

我国就有这样一个团队，成员是来自中科院高能物理研究所、中科院云南天文台、北京大学、中国科学技术大学、南京师范大学等多家国内研究机构和大学的超过20名天文学家和研究生，以及2名来自以色列的著名天文学家。在王建民和白金明研究员的领导下，在国家自然科学基金委员会和中国科学院的大力支持下，他们正投身于测量活动星系核中心的黑洞质量，并致力于提高质量测量精度。他们有着一个雄心勃勃的计划：实现中国天文学家自己提出的利用黑洞作为新工具，丈量宇宙距离，翻开宇宙膨胀的早期历史等目标。

从2012年起，团队的观测组成员就轮流驻守在云南天文台丽江观测站，利用那里的2.4米望远镜进行观测。来自高能所的副研究员杜璞就是这个团队中的一员。中国科学院高能物理研究所副研究员杜璞与同为团队成员的高能所副研究员胡晨等一起摸索出了从观测、流量定标到测量分析的整套技术，使测量精度达到了国际同类型观测的最高水平（1%至2%）。到2017年底，团队观测了超过1200个夜晚，测量了30多个黑洞的质量。而此前30多年里，由于观测难度较大，国际上一共只完成了40多个黑洞的测量。

有些黑洞没那么大

团队不但将活动星系核黑洞质量测量的数量扩大了近一倍，还发现了一个有趣的新现象。

这些吞噬物质的黑洞，有的吃得快（称为“高吸积率的”），有的吃得慢（“普通吸积率的”）。此前，同类型观测均集中在较易观测的“吃得慢”黑洞，而“吃得快”黑洞测量难度较大（变化微弱），正是由于观测组成员使测量精度提高，才能测出这些黑洞的质量。他们发现，高吸积率源的发射线相对连续谱变化的时间延迟特别短，意味着它们的质量比原先猜测小很多。并且，这些黑洞周围物质里产生的光子来不及逃逸就和物质一起掉进黑洞，所以它们没预想中那么明亮。该结果很快引起广泛关注，因为这说明之前对于黑洞的许多理解都是不对的，比如遥远的早期宇宙中看到的黑洞，质量可能比猜测的小很多，甚至差别达10倍！

2017年年底，国际上著名的斯隆数字巡天项目黑洞监测子项目公布了他们第一年的结果。这一子项目由美国伊利诺伊香槟分校、宾州州立大学等多家机构组成。他们也发现在观测目标中存在相似的现象，支持了我国团队的观测结果。