IT之家 6 月 9 日消息，天文學(xué)家借助詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡（韋布望遠(yuǎn)鏡），成功測算出一顆“沉睡的巨型天體”—— 一個休眠的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。該黑洞遠(yuǎn)在 100 億光年之外，也是目前人類測得質(zhì)量的最遠(yuǎn)超大質(zhì)量黑洞。

這顆超大質(zhì)量黑洞位于 MRG-M0138 星系的中心。我們?nèi)缃裼^測到的這個星系，樣貌停留在宇宙誕生僅約 40 億年的時期。依托韋布望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家探明，這一黑洞的質(zhì)量驚人，相當(dāng)于 60 億個太陽。

當(dāng)超大質(zhì)量黑洞處于活躍吞噬物質(zhì)的狀態(tài)時，其周邊區(qū)域會聚集大量物質(zhì)，形成活動星系核，此時黑洞會變得格外醒目。受黑洞極強(qiáng)引力影響，活動星系核會發(fā)出耀眼光芒。但黑洞存在一層能困住光線的邊界 —— 事件視界，那些物質(zhì)補(bǔ)給不足、處于休眠狀態(tài)的黑洞就極難被探測，幾乎隱沒在宇宙中。不過，即便這類黑洞沉寂無聲，其引力也不止會攪動周遭盤旋的氣體與塵埃，還會改變環(huán)繞它運(yùn)行的恒星軌跡，而恒星本身是可以被觀測到的。

為探測并測算這顆超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)利用韋布望遠(yuǎn)鏡，追蹤了 MRG-M0138 星系中心恒星的運(yùn)行軌跡。這種通過觀測恒星運(yùn)動測算休眠黑洞質(zhì)量的方法，此前已應(yīng)用于距離地球近得多的天體。例如，我們銀河系中心的人馬座 A 黑洞，質(zhì)量相當(dāng)于 430 萬個太陽，科學(xué)家就曾用此法測出它的質(zhì)量。人馬座 A 及其周圍恒星距離地球僅 2.6 萬光年，而此前運(yùn)用這種恒星動力學(xué)方法測算質(zhì)量的黑洞，最遠(yuǎn)距離也只有 7 億光年。此次觀測距離達(dá)到了以往紀(jì)錄的約 15 倍，也是該技術(shù)首次成功應(yīng)用于測算如此遙遠(yuǎn)的休眠黑洞。

該研究負(fù)責(zé)人、倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)家理查德?埃利斯在一份聲明中表示：“通過分析這個遙遠(yuǎn)星系核心恒星的整體運(yùn)動，我們得以測出這顆原本無法直接探測的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。這一技術(shù)在早期宇宙星系觀測中的可行性得到驗(yàn)證，如今我們能夠更全面地梳理黑洞的演化歷程，進(jìn)而探究它們在星系演變過程中發(fā)揮的作用?！?/p>

然而，追蹤 MRG-M0138 星系中心恒星的運(yùn)動絕非易事。研究還借助了一種天然宇宙現(xiàn)象 —— 引力透鏡效應(yīng)，該效應(yīng)源自阿爾伯特?愛因斯坦的經(jīng)典引力理論 —— 廣義相對論。

什么是引力透鏡效應(yīng)？

廣義相對論指出，有質(zhì)量的天體會讓時空（融合三維空間與一維時間的四維整體）發(fā)生彎曲。引力正是時空彎曲產(chǎn)生的效應(yīng)：天體質(zhì)量越大，時空彎曲程度就越高，引力也就越強(qiáng)。

當(dāng)大型天體（如單個星系或星系團(tuán)）介于地球和更遙遠(yuǎn)的天體之間時，引力透鏡效應(yīng)便會出現(xiàn)。來自遙遠(yuǎn)天體的光線，途經(jīng)前方大質(zhì)量天體造成的彎曲時空時，原本沿直線傳播的光路會發(fā)生偏折。

光線越靠近作為“透鏡”的大質(zhì)量天體，偏折程度就越大。這就導(dǎo)致同一天體發(fā)出的光線會分不同時段抵達(dá)人類望遠(yuǎn)鏡。該效應(yīng)不僅能放大遙遠(yuǎn)天體的影像，在極端情況下，還會讓同一天體在同一張觀測圖像中呈現(xiàn)出多個影像、分布在不同位置。

介于地球與 MRG-M0138 星系之間的星系，產(chǎn)生了引力透鏡效應(yīng)，將來自這個遙遠(yuǎn)星系的光線重新聚焦，放大了 30 倍。憑借這一條件，埃利斯及其團(tuán)隊(duì)得以精細(xì)還原 MRG-M0138 星系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

美國帕薩迪納市卡內(nèi)基科學(xué)研究所的安德魯?紐曼說：“結(jié)合韋布望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)與引力透鏡效應(yīng)，我們得以窺探黑洞的引力影響范圍。在這片區(qū)域內(nèi)，黑洞的引力會顯著提升恒星的運(yùn)行速度。這是目前測算黑洞質(zhì)量最有效的手段之一，能將該方法應(yīng)用到宇宙更早的時期，我們都倍感振奮。”

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，除中心黑洞處于休眠狀態(tài)外，MRG-M0138 星系本身也已停止孕育新恒星。這一現(xiàn)象大概率源于該超大質(zhì)量黑洞早年曾瘋狂吞噬物質(zhì)，彼時它作為明亮的類星體，成為活動星系核的核心。劇烈活動釋放的巨大能量，將氣體和塵埃向外推散：一方面切斷了黑洞的物質(zhì)來源，使其進(jìn)入休眠；另一方面也耗盡了星系內(nèi)形成恒星的原料，最終讓整個星系停止誕生新恒星。

借助本次觀測，再結(jié)合韋布望遠(yuǎn)鏡后續(xù)獲取的更多休眠超大質(zhì)量黑洞數(shù)據(jù)，科學(xué)家將能更深入地理解星系與超大質(zhì)量黑洞的協(xié)同演化關(guān)系，以及這些宇宙巨型天體如何抑制宿主星系的恒星形成。

IT之家注意到，該研究成果已于 6 月 4 日發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。