2019年4月10日，在智利聖地亞哥，事件視界望遠鏡項目召開新聞發布會，發布他們拍到的第一張黑洞照片

文/楊雋 茍利軍

編輯/吳美娜

　　黑洞一直是天文研究的熱門話題之一，2023年，預印本網站arXiv發布了約700篇有關黑洞的研究成果。進入2024年，有關黑洞研究的最新進展接連出現，人類對黑洞的探索似乎進入一個快車道。

　　但這一領域取得突破性成果非常困難。那麼，有關黑洞的研究，難在哪？最新的科學進展是什麼？它們將如何改變我們對宇宙的基本認知？

看不見的神秘天體

　　黑洞的核心特徵之一是它們的不可見性。由於黑洞自身並不發射或反射任何形式的電磁輻射，因此無法通過常規的電磁波探測手段進行直接成像觀測。這一現象源於黑洞極端的引力強度，以至於連光子也無法逃離其視界。

　　儘管如此，由於黑洞周圍環境會受到引力場的顯著影響，黑洞由此能被間接探測到。黑洞利用其強大的引力吸引周圍的氣體、塵埃等物質，使其聚集並形成吸積盤結構。在這個吸積盤中，物質逐漸靠攏黑洞，伴隨着大量的引力勢能的釋放，將會産生高能輻射。

　　根據黑洞質量，黑洞通常可分為三大類：恒星質量黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。恒星質量黑洞通常由大質量恒星晚期坍縮形成，質量範圍在幾個太陽質量至幾十個太陽質量不等；恒星質量黑洞通過合併然後再通過吸積就可以形成中等質量黑洞；而超大質量黑洞的質量通常為一百萬至數十億倍太陽質量，有可能是氣體直接坍縮形成幾萬或者幾十萬倍太陽質量的中等質量黑洞，也可能是通過恒星質量黑洞合併成中等質量黑洞，然後再通過吸積氣體形成超大質量黑洞。

　　通過電磁波方式，目前已經探測到恒星質量黑洞和超大質量黑洞；對於中等質量黑洞，缺少電磁波觀測數據的支持。不過，隨着引力波探測技術的飛速發展，對中等質量黑洞的研究迎來了新的曙光。

引力波探測進展

　　2015年9月14日，人類首次實現了對引力波的直接探測，這一里程碑式的突破開啟了天文學研究的多信使時代。分析結果顯示，探測到的引力波信號源自距離地球約13億光年的一次雙黑洞並合事件，兩個黑洞的質量均接近30倍太陽質量。這次探測由美國激光干涉引力波天文&（LIGO）完成，該團隊核心成員於2017年榮獲諾貝爾物理學獎。

　　2019年5月21日，LIGO又取得一項里程碑式的發現，成功探測到了一個雙黑洞並合事件，兩個黑洞的質量分別為85倍和66倍太陽質量，最終形成了一個約為142倍太陽質量的新黑洞。這次探測不僅明確證實了中等質量黑洞的存在，也充分展示了引力波探測搜尋此類黑洞的強大潛力。

　　截至2024年1月底，引力波觀測合作組織順利完成了第四階段探測任務上半段的工作。人類探測到的引力波事件目前已超過200個。這些觀測數據極大豐富了我們對黑洞的認知。

　　引力波頻譜涵蓋廣泛，納赫茲引力波位於這一頻譜的低頻區域，波長達到數光年，這使得對其進行探測非常具有挑戰性。目前，脈衝星測時陣列是利用孤立毫秒脈衝星來探測納赫茲引力波的有效方式。毫秒脈衝星信號具有極強的周期性，當有引力波經過時，會對脈衝星的信號到達時間産生擾動。

　　中國脈衝星測時陣列研究團隊利用“中國天眼”FAST對57顆毫秒脈衝星持續三年多的監測數據，成功找尋到了納赫茲引力波存在的關鍵證據，其置信度達到了4.6σ（誤報率低至五十萬分之一）。這項關於納赫茲引力波的重要突破被美國《科學》雜誌評選為2023年度十大科學進展之一，標誌着中國在納赫茲引力波探測領域的研究取得世界領先的成就。

2023年7月26日拍攝的“中國天眼”全景（維護保養期間無人機拍攝）

　　相較地面探測引力波的裝置，歐洲空間局（ESA）提出了空間激光干涉儀（LISA）計劃。預計在2030年代中期，LISA任務將發射三顆衛星進入太空，形成一個邊長達250萬公里的巨大等邊三角形陣列。非常類似於LISA項目，中國也有“天琴計劃”和“太極計劃”，但邊長稍有差別。這些空間裝置都是利用激光干涉原理，通過精確測量因引力波經過而引起的微小距離變化，有望測量振幅、方向及偏振等關鍵信息，進而探測到超大質量黑洞並合事件、銀河系內部超緻密雙星系統、極端質量比雙星旋進等現象。這些計劃無疑將進一步拓寬我們對黑洞的理解。

黑洞影像新進展

　　對黑洞直接成像也是一種前沿的黑洞研究手段。2019年，事件視界望遠鏡（EHT）組織公布了首張黑洞影像，即位於M87星系中心的超大質量黑洞影像。

　　2023年4月，研究團隊利用主成分干涉建模算法（PRIMO），發布了重建後的M87黑洞照片，相比之下，黑洞周圍的吸積盤變得更為纖細，使照片分辨率得到顯著提升，這對精確測定黑洞的質量具有關鍵作用。

　　這之後不久，中國科學院上海天文&&究人員及其團隊發布了他們基於M87黑洞照片的全景照。他們基於2018年EHT於3.5毫米波長對M87黑洞進行的觀測數據，進一步解析了M87黑洞的特徵結構，對其陰影、吸積盤和相對論性噴流進行詳細成像，繪製出一幅黑洞“全景照”，揭示了M87緻密射電核心的清晰圖像，這項成果於2023年4月發表在英國《自然》雜誌上。該圖像展示了一個直徑為8.4倍史瓦西半徑的環狀結構，其尺寸比先前1.3毫米波長下觀測到的環增大了約50%，並清晰顯示了環的外緣部分。

　　今年1月，EHT組織發布了M87黑洞的最新照片，這張照片是基於2018年EHT於1.3毫米的觀測數據得到的。這張新照片顯示的明亮光環與初次發布的照片相似，其直徑測量結果高度一致，這與廣義相對論預測的該黑洞視界尺度在長時間內保持相對恒定相吻合。不過，圖片中最亮的區域旋轉了約30度，這一現象證實了黑洞周圍湍動物質的可變性，且與廣義相對論磁流體動力學模擬預期相符。在EHT基礎上，研究人員正在推進下一代事件視界望遠鏡（ngEHT）項目的建設。

最遠黑洞紀錄不斷刷新

　　隨着韋布空間望遠鏡不斷帶來新的觀測數據，科學家們得以發現越來越遙遠的黑洞。2023年3月，韋布空間望遠鏡觀測到了當時已知最遠的黑洞——CEERS 1019，質量為1000萬倍太陽質量，位於宇宙大爆炸之後約5.7億年。而僅僅半年後紀錄就被刷新，名為UHZ1的黑洞躍居為觀測史上最遙遠的黑洞，它形成於宇宙大爆炸後約4.7億年，擁有4000萬倍太陽的質量。今年1月，關於最遠黑洞的探測紀錄再度被改寫。

　　2016年，哈勃空間望遠鏡捕捉到了一個極其古老且遙遠的星系GN-z11。該星系的紅移值高達11.1（紅移值越大，&&天體離我們越遠。在此之前，人類能看到的最遠星系距離我們132億光年，其紅移值為8.68），處於宇宙大爆炸後僅約4億年的時間點。

　　借助於韋布空間望遠鏡提供的更為詳盡的數據，今年1月，利用韋布空間望遠鏡的觀測數據，劍橋大學的研究團隊針對GN-z11展開了新一輪研究。通過對GN-z11光譜特徵進行精細分析，他們發現了活動星系核的寬線區特徵，有力證明了GN-z11核心區域內存在着一個十分活躍的吸積黑洞。分析得出，該黑洞的質量約為160萬倍太陽質量，並以大約5倍愛丁頓吸積率高效運作。這個超大質量黑洞處於宇宙歷史的極早期階段，對它的研究有助於我們理解宇宙的早期演化和超大質量黑洞的快速形成機制。

愛因斯坦探針升空

　　由於黑洞周圍的物質能夠發射出強烈的X射線輻射，X射線探測衛星成為了觀測黑洞的關鍵工具。今年1月，在印度發射該國首顆用於研究黑洞的科學衛星X射線偏振計衛星（XPoSat）後不久，中國科學院聯合歐洲空間局和德國馬普地外物理研究所共同研製的愛因斯坦探針衛星（EP），在中國西昌衛星發射中心發射升空。

　　EP衛星荷載由大視場X射線望遠鏡（WXT）與後隨X射線望遠鏡（FXT）組成。前者視場可達3600平方度，用於全天候監測天空中的X射線源，有利於捕捉到新的暫現源；後者具有更高的空間分辨率，能夠更深入地研究這些源的物理特性。

2021年3月24日，中國科學院上海天文&路如森研究員介紹黑洞的相關知識

　　EP衛星的主要觀測波段集中在軟X射線區域（0.5～4keV），黑洞研究是其科學目標之一。預計在至少三年的任務期內，將會産生諸多重要成果：發現數百個星系中心的寧靜黑洞；給出星系中心含有超大質量黑洞的比例；發現中等質量黑洞和大質量雙黑洞的觀測證據；發現各種類型的黑洞潮汐瓦解事件；揭示噴流産生的條件及機制等等。EP衛星的成功運行，將有力推動天文學的前沿發展。

黑洞研究價值不可替代

　　黑洞是宇宙中最為奇特和極端的物理環境，對檢驗基礎物理學理論、理解星系形成與演化等具有不可替代的價值。

　　黑洞是驗證愛因斯坦廣義相對論的理想實驗室。這一理論預測了當物質高度集中時，引力將導致空間時間發生極度扭曲，形成一個連光都無法逃脫的區域，即黑洞。黑洞附近的強引力效應，為科學家提供了在強引力場下測試廣義相對論的機會。

　　幾乎所有星系的核心位置都有一個超大質量黑洞，通過吸積周圍氣體等物質，黑洞將釋放出巨大能量，發射高能射線、驅動強大的噴流結構。這些活動不僅影響黑洞附近的環境，還可能影響整個星系內恒星的形成速率、分佈狀況等。因此，研究黑洞的行為，對理解星系演化具有重要作用。

　　由於超大質量黑洞在吸積周圍物質過程中所釋放的巨大能量，形成了強大輻射和噴流現象，使得我們能夠探測到宇宙更為深處的隱秘角落。通過對黑洞吸積過程及其影響下類星體光譜特徵的精細研究，科學家能夠以此實現對宇宙中極遠距離的精準測量。這會深化我們對宇宙早期狀態的理解，對驗證宇宙學模型提供數據支撐。

　　（楊雋係中國科學院大學天文和空間科學學院碩士研究生；茍利軍係中國科學院國家天文&&究員、中國科學院大學天文學教授）