在这幅插图中，一个厚厚的吸积盘在超大质量黑洞的“咽喉”处形成涡流。科学家利用来自吸积盘的X射线所产生的“反响”，测绘出吸积盘的内部结构。该方法比任何望远镜的直接观测结果都更有效。

　　插图：NASA/SWIFT/AURORE SIMONNET, SONOMA STATE UNIV.

　　撰文：NADIA DRAKE

　　去年，科学家们发布了一则重磅新闻，宣布直接拍到了黑洞的照片。人类因此得以看到这头怪兽的“咽喉”究竟有何物。现在，天文学家利用一种不同的X射线“反响”技术，更近一步地窥探了这些引力巨兽的模样。

　　这个备受关注的黑洞位于星系IRAS 13224-3809中心，距离地球约10亿光年。这颗超大质量黑洞周围环绕着高达百万度高温的物质吸积盘，表面覆盖的X射线冠状物（corona）温度更是超过10亿度。科学家们通过分析这些X射线的变化，描绘出了这个黑洞事件视界（event horizon）周围区域的详细图像。（事件视界是区隔时空的界限，甚至光线都无法逃逸。）

　　“黑洞本身并不发光，因此研究它的唯一方法就是观察落入其中的物质会产生什么变化。”英国剑桥大学的William Alston说道。他的团队近日在《自然天文学》期刊上发表了研究成果。

　　去年的那张黑洞照片是由事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）拍摄的，而新的测量方法更加精确。对这个黑洞的最新测量，让科学家们确定了其质量和转速等关键线索，有助于科学家们进一步研究其演变过程。如果科学家能对周边的超大质量黑洞群体都进行类似的测量，就可以对星系的成长过程有更多了解。

　　Alston说：“理解许多星系里诸多黑洞的自旋分布情况，能让我们了解早期宇宙是如何演变成如今我们看到的样子的。”

　　回波映射法

　　虽然星系IRAS 13224-3809的名字冗长难记，但它是X射线星空下最令人兴奋的星系之一。原因在于它是一个活跃星系，意味着它最内部区域的闪耀亮度，远非恒星本身所能解释，而且其X射线亮度以50倍系数涨落，有时候还能持续数小时。Alston及其同事之所以选择研究这个星系，是因为他们想要一个动态的、波动的源，来帮助他们确定星系中心黑洞的具体特征。

　　为实现这一目的，Alston及其同事们使用欧洲航空局的XMM-Newton探测器来研究星系IRAS 13224-3809。XMM-Newton探测器是一个绕地球运行的望远镜，能够以X射线波段观测宇宙。2011年至2016年间，该探测器在16圈绕地飞行过程中对这个星系进行了观测，总观测时长超过550小时。

　　Alston及其同事从这些海量数据中，组合出了一张超大质量黑洞X射线冠状物，以及环绕事件视界外侧一圈吸积盘的分布图。一部分散发出的X射线直接射向宇宙，另一些则被甩入吸积盘，花了稍长的时间才逃脱。

　　Alston解释说：“这段稍长的路程，使冠状物产生的、不同方向的X射线之间产生了时间延迟。我们可以测量这一回声，即这一时间延迟——我们将其称之为反响（reverberation）。”

　　这一技术名为反响映射法（reverberation mapping），能帮助科学家探测黑洞周围的气态物质。Alston将这种方法比作回波定位法（蝙蝠等动物能利用回波来帮助它们在飞行中确定物体位置）。与事件视界望远镜合成近处黑洞图像的过程不同，反响映射法可用于研究非常遥远的天体，并探测距离事件视界更近的区域。

　　美国佐治亚州立大学的Misty Bentz同样使用该方法研究遥远黑洞，他说：“反响映射法根本不依赖于空间分辨率。相反，它利用天体内部的光回波来研究天体结构，甚至可以研究非常小、非常远的天体。”

　　事件视界望远镜拍摄的这张图像，展示的是附近星系M87中心的黑洞。

　　图源：EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

　　转速惊人

　　从星系IRAS 13224-3809中捕捉的光回波，让Alston及其团队确定了黑洞周围物质的精确几何结构，包括动态X射线冠状物的维度。然后，该团队利用这一信息来计算黑洞的质量和自旋，而这两个特征并不会因人类的时间尺度而发生变化。

　　Alston说：“为了测量这个黑洞的质量和自旋，我们需要知道气体在落入黑洞之前的确切位置。”科学家们曾用该方法研究过超大质量黑洞，但是与星系IRAS 13224-3809中的黑洞相比，以前那些观测的时间没有那么长，光源也没有那么多变。

　　该团队总结称，根据新的映射测绘结果，这个超大质量黑洞的质量相当于200万颗太阳，并以物理定律下尽可能快的速度自旋。美国佐治亚州立大学的Misty Bentz（并未参与本研究）称，作者们大量的观测使得这一结论极具说服力。

　　Misty Bentz说：“作者们进行了16次相同的试验，次数比任何之前的研究都多。这让他们筛选出了那些未发生变化的属性。”

　　Alston及其团队还拼合出了黑洞周围X射线冠状物随时间变化的动态图像，其尺寸在一天之内的变化有点显著。

　　星系种子

　　似乎宇宙中每个大星系都被锚定在中心的超大质量黑洞。破解这些“锚”自旋的方式，能够帮助理解这些“锚”及其宿主星系的形成演化过程。

　　Alston说：“有一件事我们还不知道，那就是超大质量黑洞是如何形成的。它们在早期宇宙中的‘种子’是什么？目前我们的诸多模型所预测的‘种子’都太小，实际无法成长得那么快。”

　　Alston介绍说，星系形成的一种方式就是多个小星系的碰撞、并合。星系并合时，中心的黑洞也会并合。如果星系的碰撞混乱无序，不仅会对最终大黑洞的质量产生影响，还会影响它的自旋方式。

　　黑洞胀大的另一种方式是通过源源不断的气体流入。如此产生的黑洞，其自旋速度可能会更快，星系IRAS 13224-3809中心的黑洞便是如此。不过，Alston称，目前还无法确定这个特定星系是否曾通过这种方式来增加质量。

　　最终，Alston及其团队将利用反响映射法来确定周围数百个超大质量黑洞的自旋及其形成历史，实际上相当于对这类天体做一次大普查。之后，基于这些黑洞的距离，科学家们将进一步研究星系在宇宙历史中的生长过程。