錢德拉望遠鏡對銀河系外曝光七百萬秒，它究竟在拍啥？

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作者：羅斌（南京大學天文與空間科學學院）

來源：NASA/CXC/Penn State/羅斌等

看到這幅圖，相信很多人都在想，這星星點點的光斑是什麼呢？難道是什麼黑科技？想傳達什麼信息？

實際上，這可是天文學家們最近得到的寶貝，它是美國航空航天局（NASA）錢德拉（Chandra） X射線太空望遠鏡所拍攝的一幅X射線圖像，並且是有史以來曝光時間最長因而最為靈敏的河外X射線觀測得到的圖像。

這幅圖像總共耗用了錢德拉望遠鏡約七百萬秒（81天）的曝光時間，那七百萬秒曝光時長又是個什麼概念呢？

沒有對比就沒有差距，我們的手機相機的曝光時間通常是千分之一秒量級，也就是說，這次錢德拉望遠鏡的曝光時長是我們手機日常拍照曝光時長的數十億倍！

科學家拍這幅圖有什麼用呢？上邊提到的錢德拉深巡天究竟是做什麼的？原來，它是用來研究黑洞的，而且是超大質量的黑洞。

這幅圖像中的顏色就代表了錢德拉的X射線能量：低等能量的是紅色、中等能量的為綠色、高能的就是藍色。

圖像中的亮點大多數都是活躍增長中的超大質量黑洞，這些黑洞的質量範圍約10萬到100億倍太陽質量之間。

雖然整個巡天區域面積僅僅只是滿月面積的百分之六十，但天文學家們仍從這次最深的X射線巡天觀測中，發現了前所未有的高天空面密度的超大質量黑洞，這種超大質量的黑洞在滿月大小的區域中能達到5000個，而在全天預計能有10億個這樣的黑洞。

錢德拉X射線衛星中心、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等單位對這項成果進行了新聞發布，美國賓州州立大學的Niel Brandt教授在第229屆美國天文學會年會的新聞發布會上也對相關發現做了通報。

基於這項成果，咱們今天一起來探究一下，這項成果中最重要的超大質量黑洞。

Q1

超大質量黑洞是個啥？

大家對黑洞這個詞本身可能並不陌生，它頻繁出現於引力波的新聞報道和各類科幻電影中。

通常，人們提到的黑洞一般是指恆星量級的黑洞，質量大約在3－100倍太陽質量之間，是大質量（約25倍太陽質量以上）恆星最後塌縮形成的。

作為這些恆星質量黑洞的 「巨無霸」同胞，那些質量範圍在10萬到幾十億，甚至上百億倍太陽質量之間的黑洞，被稱為超大質量黑洞。

與恆星質量黑洞相比，這些超大質量黑洞的形成機制以及其在宇宙中的分布狀況都還是未解之迷，目前科學家們通過觀測，僅發現這類黑洞廣泛存在於大質量星系的中心，包括我們的銀河系。

Q2

如何證明超大質量黑洞的存在？

實際上，超大質量黑洞存在的最強證據，就是來自於我們銀河系中心。

由於光線都不能逃逸出黑洞，因此黑洞本身並不能被直接探測到，天文學家通過對銀河系中心附近多個恆星運動軌道二十多年的精確測量，推斷出它們中間小於1光周（光傳播一周的距離，約1800億公里）的尺度裡面存在一個質量約四百萬倍太陽質量的天體。

這樣的緻密天體，唯一的可能性就是一個四百萬倍太陽質量的黑洞。

再者，超大質量黑洞中有一些是十分活躍的，天文學家對超大質量黑洞的觀測研究主要針對這類活躍增長中的黑洞。它們位於星系的中心，貪婪地吞噬星系中的氣體以獲得自身的增長，氣體在落向黑洞視界的過程中會被加熱，從而產生可以被探測到的電磁波輻射，而被觀測到的天體被稱為活動星系核。

在二十世紀二三十年代，這類天體剛被發現不久，當時它們也被稱為類星體，因為在光學圖像上看它們和恆星非常相似。當然，當時的科學家們還沒有黑洞的概念，也不知道這類天體的本質是什麼。

這類增長中的超大質量黑洞是宇宙中的一種極端天體，它們可以在星系萬分之一的尺度裡面產生星系一萬倍的能量，並通過全波段的電磁波輻射到宇宙中，包括射電、紅外、光學、紫外、X射線輻射等。

近年來，隨著觀測手段的進步，天文學家們對超大質量黑洞的理解有了長足的進步。

目前觀測到的最遙遠的增長中的超大質量黑洞，位於宇宙大爆炸後約8億年，而我們目前的宇宙年齡約137億年，也就是說我們觀測到了129億年前黑洞附近的電磁波輻射。

觀測證據還表明，在這上百億年的時間裡，很有可能超大質量黑洞的增長演化是與它們所屬星系的演化息息相關的。

同時，人們發現原來明亮的類星體只是超大質量黑洞的冰山一角，更多比例的黑洞質量增長可能是以更緩和（相對較小質量星系中）以及更隱蔽（被氣體和塵埃所遮蔽）的形式進行的，不能被通常的光學觀測所發現。

Q3

X射線深巡天究竟是什麼？

基於目前對超大質量黑洞的了解，天文學家們開始嘗試解答如下兩個基本問題：超大質量黑洞是如何形成的？它們是如何在宇宙學的時標中與星系共同演化的？

然而，要解決這些問題的前提是探測到一個相對全面完備的超大質量黑洞樣本，這就需要本文開頭提到的X射線深度曝光觀測。

由於這類天文觀測沒有特定的指向目標，而是對一片天區進行全面探測，因此也被稱為X射線深巡天。超大質量黑洞的增長（吞噬氣體）通常伴隨著顯著的X射線輻射，而X射線輻射對氣體和塵埃有很強的穿透性（這也是為什麼醫院可以用X光拍攝人體牙齒和骨骼的照片），因此X射線是探測到這些黑洞的有效及高效手段。

錢德拉太空望遠鏡的額外優勢是它的精密儀器設計使得它的觀測幾乎沒有本底噪音同時具有所有同類儀器中最好的空間解析度，因此天文學家可以通過增加曝光時間的方法來探測到更多更弱的X射線光源——絕大多數這些X射線源都是增長中的超大質量黑洞，這也是七百萬秒錢德拉X射線深巡天的由來，而這一巡天被稱為錢德拉南天區深巡天。

目前天文學家們正在對這個相對完備的大樣本黑洞的數十億年宇宙學增長做系統性研究，其中部分關於超大質量黑洞的物理性質及「種子」的研究成果已經發表。

本期科學主編：

苟利軍（中國科學院國家天文台）