星系是“群居动物” 未来能否找到双黑洞系统？

　　来源：墨子沙龙

　　黑洞面对的是极端的世界，它是科学上已知宇宙中最极端的事物。黑洞中有非常大的东西，也有非常微小的东西，物体以光速运动，时间会停顿，科学中很难想象还会有其他物体比黑洞更神秘和有趣。当然不止在科学中，在大众文化中也是，黑洞引起了好莱坞的想象，拍了很多相关的电影，《星际穿越》众所周知，还有《视界》和至少另两部法语电影，所以从科幻本身来讲，黑洞确实渗透到大众文化中了。黑洞当然也激发了大众的想象，但也产生了很多误解，很多人以为黑洞很危险，“小心黑洞，因为它会把任何东西吸进去，包括你”，其实不是这样的，黑洞自己不会把你吸进去，比如要通过相互碰撞、损失角动量才能掉入黑洞。


黑洞漫画

　　从物理的角度，黑洞其实是非常简单的物体，爱因斯坦告诉世人许多东西，其中他的一个公式人尽皆知，E = mc^2，仅仅通过光速这个常量，就可以将质量和能量相互转化，光速是300000 千米/秒，没有东西可以超过光速，爱因斯坦还告诉我们质量可以弯曲时空，像地球这么大的不太重物体只轻微地弯曲时空，但是当物体质量增加或者越来越紧密，越来越大，时空将扭曲得越厉害，如果一直这样会发生什么呢？如果一直让物体变大或者缩小会怎样呢？


黑洞漫画2

　　200到250年前，两个名人已经考虑过这个问题，他们问了这样的问题，假如恒星的质量如此之大或如此致密以致逃逸速度超过光速，会发生什么现象？那时他们不知道光速不能超过300000千米/秒，大家能想象会发生什么吗？其实非常简单，以地球为例，如果用某种机器把它压缩到花生米那么大――9毫米，它就成为一个黑洞了，如果将太阳压缩到3千米，也可以成为黑洞，3千米也就是上海的任意一个街道的大小，所以其实这就是形成黑洞所需要做的事。

　　我们知道自然界有两种黑洞，第一种很简单，是恒星正常演化的产物，像太阳这样的恒星通过上边这个方式演化，恒星变成红巨星后最终变成白矮星终结生命。但如果恒星质量超过太阳质量的10倍甚至20、30、50、100倍，那么它们大多以中子星的形式终结，自转非常快的中子星又叫脉冲星，但是如果恒星质量超过25或者30个太阳质量，它将以黑洞形式终结。



　　我们是通过X射线天文学得知这些天体的存在。1960年代第一颗卫星发射时，人们发现一种叫做X射线双星的现象，X射线双星起源于恒星级别黑洞对物质的吸积，由于物质落入黑洞的引力势阱，天体会变得极热并发出X射线波段的辐射。然而，存在一个基本的问题，
我们如何才能知道这些天体是黑洞？黑洞的定义是什么？
由于即使光也不能逃逸出黑洞视界，我们还不能直接测量黑洞视界的里面。



　　除此之外，天文学家可以做的最好的就是测量天体的质量，测量它多重，并且证明天体没有发出辐射、是黑暗的。测量天体质量的方法在天文学上其实很简单，就是用我们熟悉的
牛顿定律
。在太阳系中我们非常熟悉，假设不知道太阳的质量并且你第一次做实验，你该如何确定太阳的质量呢？测一下围绕太阳转动的行星轨道就可以了。我们都知道地球绕太阳一圈需要一年，水星离太阳更近，每3个月旋转一周，木星离得更远，需要12年绕一周，所以如果了解行星轨道，知道位置和速度的径向方程，就可以利用中学学到的著名的、简单的牛顿公式算出太阳的质量，不需要对发光的太阳本身有了解。


黑洞漫画3

　　假如太阳突然变成黑暗，关掉光的开关，把它变成个黑洞，而行星的轨道不会变，轨道不会依赖太阳的辐射，仅仅和引力有关，这才是关键。需要测量天体的速度和离中心的距离，但是天文上如何测量速度呢？其实也很简单，天文学是很简单的学科，我们都知道多普勒效应，假如在街上一辆救火车或救护车经过，可以听到警笛的音调发生变化，一辆车先靠近然后离开你，因为这是声波的性质，波源靠近时波长压缩，远离时波长伸长，变成频率不同的音调。众所周知光也是一种波，光波和声波行为方式一样，只不过是不同类型的波，有无线电波、人眼可见的可见光波，也有特殊的波，像X射线和戴教授讨论过的伽马射线，这些都是波。怎样测量天体的速度和方向呢，测量波长就可以。

　　如果站立不动波源向你靠近的话，光波波长会被压缩，波长变短，我们称作
蓝移
。如果波源快速远离你，光波波长就会伸长，发生
红移
。我们测量波长移动就可以，但是相对于什么的移动呢，需要找一个静止的参照物，幸运的是我们知道怎样在实验室找到参照。



　　自然界有不同的原子，不同的原子受激会发出特定频率或波长的光。比如，街灯中的钠发出黄光，氖灯发出红光因为氖的主跃迁线在红光区域，这是氢原子的特殊的指纹，就好像你的DNA和你自己手上的指纹，氦作为宇宙中含量第二多的元素也有自己的指纹，从太阳光谱中可以直接看出来，让阳光经过棱镜，可以看到一模一样的光谱线图案，因为太阳主要由氢和氦组成，还有其他元素，这就是关键。

　　观察光谱与实验室数据对比的相对移动，这是太阳没有移动时的光谱，光谱图案我们非常熟悉，让它远离我们产生红移，整个图案向红色那端移动，如果太阳向我们移动，所有线向蓝色那端移动，所以将星光用棱镜或摄谱仪色散，就可以测量天体移动的方向和速度，其实非常非常简单。



　　我说过天文学家1960年代发现了X射线双星，这是最初的恒星级别黑洞的壮观观测，发生在天鹅座X-1的X射线双星，叫天鹅座X-1是因为天鹅座的明亮伴星，X代表X射线，是第一个X射线源，测量看不到黑洞本身，但可以看到黑洞绕伴星旋转的引力效应。伴星的运动有轻微的摆动，因为两个天体绕相同的质心旋转，这里伴星的周期是5.6天，小于一周，可以算出黑暗的看不见的那颗伴星有10倍太阳质量，那很可能是黑洞，但这不是我想在这个演讲中讨论的黑洞。

　　我想讨论超大质量黑洞，不是10倍太阳质量，而是100万倍、100亿倍太阳质量，他们是位于大星系中心的天体。这个很漂亮的星系叫草帽（Sombrero）星系，位于南半球，Sombrero在西班牙语中是帽子的意思，这是一顶墨西哥草帽，这个“墨西哥草帽星系”，正好有一个10亿太阳质量的黑洞，科学家当初怎么想到超大质量黑洞这个奇怪概念的？这是一个很不自然的想法，其实这个理论已经50年了。



　　早在1960年代初期，当天文学家发现一类叫类星体的天体时（类星体是宇宙中能量最高的天体之一），人们想到的解释类星体能量源的唯一方法是，物质被吸积到一个非常重的天体上，人们推测这个天体可能是超大质量黑洞。不仅仅是类星体，天文学家在1960年代还发现了一种令人惊奇的天体-射电星系，这是非常壮观的天体。

　　大家现在看到的是无线电波段的辐射，它非常巨大，从一端到另一端大约1百万光年，这些辐射是高速高能粒子产生的，这些粒子是星系中心的某种神秘天体喷射出的，速度接近光速，这是非常相对论性的喷射，而且持续时间已经很久。可以看到喷出的气体轨迹非常直，所以无论喷射的是什么东西，这个天体都是极稳定的陀螺仪，而且不改变方向，很可能质量极大，看起来非常壮观。



　　还有另一个例子，星系本身在中间，那些是恒星，这些是超快粒子在磁场中产生的无线电波。还有另一个例子，还有一些更普通的星系，不像这些蔚为壮观的星系，更普通的星系中心也是“活跃”的，乘坐活跃星系核，解释活跃星系核的能量来源的最流行的理论，也是来自超大黑洞引力势阱内对物质的吸积。

　　这是怎么发生的呢？当物质落入星系中心时，将物质的引力势能转化为动能，由于摩擦，当物质被吸引入时相互摩擦，就像你揉搓双手一样，会产生热量，不同的就是这种摩擦以接近光速在所谓的吸积盘内进行，这个过程产生巨大的能量。我们通过光学波段、无线波段、X射线波段和伽马波段可以看到，这就是1960年代已经建立的理论。

　　怎样找到这些天体呢，下面我一步步讲述天文学家怎样通过观测确定超大质量黑洞的存在。从银河系开始，武教授已经展示过这张银河系的动画图，这是在银河系上方向下看时的视图。大家已经知道我们所在的太阳系在银河系的外围，事实上由于我们在这样一个很不方便的位置，想要看到星系中心其实非常麻烦，视线几乎被沿途的星际尘埃完全挡住。



　　这里的尺度从一端到另一端是10万光年，如果用到红外的更长波长的波段，可以穿透尘埃，如果拍一张天空同样位置的红外图像，就像这样子，好多了，更加透明了，如果把中心放大10万倍，整个图片尺度是10万光年，现在放大到只有中心1光年的尺度，使用目前最先进的设备，所谓的红外波段自适应光学仪器，这就是银河系中心的高分辨图像，来自美国和德国的两个团队的天文学家在过去的15到20年，耐心地拍下这些图片，夜复一夜地拍了10年，15年，20年。



　　事实上可以看到恒星的运动，因为如果中心有黑洞的话它们应该运动，就像行星绕太阳运动一样，这就是我们天文学家所做的工作。可以看到中心非常靠近这个黑暗天体的周边区域的恒星，一年年地来回运动，黄色的恒星沿着黄色的椭圆轨迹绕中心以2000千米/秒的速度运动，地球绕太阳的速度是33千米/秒，而这里是2000千米/秒，有一个质量非常非常大的天体在牵引这些恒星绕动，这个天体有4百万个太阳质量那么重，这是我们目前发现的最令人信服的案例。

　　但出了银河系就再也不能这样做这样的观测了，不可能，没办法分辨单个太弱、分布太密集的恒星，目前还没有设备可以分辨单个恒星。相反，我们利用恒星团的运动，还是用多普勒效应测速度和方向，通过观察谱线图样的移动，然而需要在非常靠近中心的地方做这种观测，以确保恒星受的引力是被黑洞支配的而不是其他周围的东西，需要知道所谓的黑洞影响球的半径，黑洞影响球基本上就是一个区域，在这里面恒星的运动受中心天体的引力势的支配，而不受周围大尺度环境内的恒星支配。这需要非常高的角分辨率，这项任务由NASA发射的哈勃太空望远镜来完成。

　　哈勃望远镜是过去20年天体物理的革命之一，事实上哈勃望远镜已经运行了25年，由于在地球大气上方，哈勃有惊人的高分辨成像能力，它采集的图像不受造成恒星闪烁的大气湍流的影响，闪烁的恒星非常浪漫但对科学观测非常糟糕，因为这影响图像分辨率，哈勃在大气之上，所以没有这种问题，所以哈勃一直是发现超大黑洞的重要平台。



　　我们首先对我们的邻居仙女座进行观测，这是M31的可见光照片。下面这个小亮点是它的小朋友，叫M32。哈勃太空望远镜通过观测，利用我刚说过的方法，发现仙女座有一个1亿2千万倍太阳质量的黑洞，这比银河系的黑洞重50倍，而它的小朋友M32比银河系的黑洞稍微轻一点，有一个250万倍太阳质量的黑洞。

　　在银河系外，我们还观测了室女座星团，室女座星团是距离最近的大星系团，这是室女座星团里最大的星系，叫M87，以一条壮观的喷射带出名，几十年来人们都认为这条喷射带是由于超大质量黑洞，我们用棱镜把光线分解，见证奇迹的时刻！这个天体有旋转的盘，以±1000千米/秒的速度进行转动，转动速度令人吃惊，有蓝移也有红移，远离你的部分产生红移，朝向你的部分产生蓝移，速度都是1000千米/秒，可以算出中间的质量，有几十亿个太阳质量，而且这个天体是黑的，几乎没有光。



　　这是M87的朋友M84，另一个巨型椭圆星系，同样的观测发现这个天体也有一个壮观的喷射带，我认为也是超大质量黑洞引起的，再一次，分解光得到光谱，光谱的一边蓝移一边红移，运动让人意想不到，运动速度惊人，得到的质量大概也是10亿倍太阳质量。我们一直这样观测，而我们也一直发现这种天体，事实上经过10年的观测，现在已测量到大约100个案例，并且这个现象开始变得太平凡了。现象都是相同的，所有的大质量星系都有一个神秘的黑暗天体，而我们认为是超大质量黑洞，这实际上是第一个重要突破。

　　在1960年代，理论物理学为了解释类星体就已经预计到了这些可能性，而我们现在不止发现了它们，我们甚至证明它们很常见，每个星系都有。然后下面是真正的惊喜。10年前当我们把所有数据放在一起，我们发现如果在y轴画出黑洞的质量，黑洞质量与星系质量有非常严格的线性关系。右边越重的星系，黑洞的质量越大，重一些的星系有10亿倍太阳质量的黑洞，像银河系这样的星系有400万倍太阳质量的黑洞，它们之间呈比例。作为科学家，发现任何非常一致的线性关系都会非常兴奋，因为这表明非常重要，x轴和y轴以某种方式相互关联。

　　事实上让人很吃惊，因为尽管黑洞是“超大质量“，它相比于星系还是很小的，只有星系质量的千分之一，而星系比黑洞重1000倍，所以星系绝不可能通过引力感知到黑洞，感觉事实上绝不可能这样，但为什么它们有线性关系呢？这一直是过去20年天文学界的谜团和令人激动的话题，最终人们讨论这件事的共识是这样的，尽管黑洞质量不是很大，但如果天体是活跃的，或者是类星体，甚至有发光、喷射气体等极端行为，一定会对星系造成巨大损害，一定会影响星系的形成，一定会控制星系中恒星的形成速度，很小的黑洞和很大的星系之间一定有某种非常紧密的反馈，因此出现了协同进化这个概念。

　　这里要展示的是两个星系的合并，两个星系开始合并时，合并的引力力矩驱动恒星生成所需的气体原料，到两个星系的中心，大部分气体在这里开始形成恒星，并且为黑洞的形成提供燃料，这使得系统变成类星体并释放惊人的能量，事实上能量大到可以使星系爆炸，待会儿可以看到，这将对气体物质造成灾难性影响，进而影响星系演化，开始了，嘣！星系中心会发生爆炸，导致恒星停止生成，星系死亡，实际上也造成黑洞停止生长，这就是自然界中，中心很小的黑洞影响整个星系周围演化的机制。

　　但这不是简单的计算机动画，真实的数据中也可以看到，可以观测到非常壮观的无线电喷射破坏周围的环境，用望远镜可以看到形成这些巨大的空洞，因此黑洞中心爆炸释放出的能量，控制了大尺度的星系环境的演化，这是现在天体物理学家对星系形成的部分观点。



　　下面讨论另一个相关的问题，如果星系越来越小会发生什么呢，从这个图可以看出如果星系足够小，中心的核球足够小，应该就没有黑洞了，因为星系核球的大小与黑洞大小线性相关，是否在一定大小的星系就不存在黑洞了，这个问题非常非常重要。自然界形成的最小黑洞多大，我们知道恒星级黑洞是10倍太阳质量，LIGO探测到30倍太阳质量的黑洞，但是在30倍和4百万倍之间还有巨大的空隙，有没有1万倍、10万倍或100万倍太阳质量的黑洞呢？我们当然也想知道自然界可以形成的最大质量黑洞，它们是多少重量级的，以及黑洞从小到大分别是怎么样的，黑洞种子怎样演化成熟成为巨大的超大质量黑洞？

　　问理论学者他们会说没问题，这些问题可以解释，解释超大质量黑洞需要用到最大的红移，因为天文学家一直在宇宙最外围发现大红移的类星体，当宇宙只有几亿年时已经有非常亮的类星体了，这些类星体需要黑洞质量是10亿、100亿倍太阳质量。在大爆炸后的几亿年内，没有时间生成这么重的怪物，如果它们都从10倍太阳质量开始，那么理论上存在一个很大的问题：种子黑洞是什么？理论物理学家说不用担心，计算机可以任意设定来自任意大的气体中任意恒星碰撞产生的任意黑洞大小，因为宇宙早期的条件很特殊，不存在金属，因此理论物理学家可以用计算机模拟任意质量的初代黑洞，但这也不能在未来10年20年内探测到，目前看不到有望远镜可以观测到这种物体。



　　让我们回到我们熟悉的最近邻的星系，先来看看小星系而不是大星系，如果存在小质量黑洞，它们应该在小星系内，使用可获得的最高分辨率的图像，将哈勃太空望远镜的图像放大，放大到星系核，然后用同样的方法，将光分解，用来探测恒星绕中心的快速运动。看看中心有什么？谢天谢地！目前测到的纪录是1万个太阳质量，一些是10万倍太阳质量，还有很多是百万倍太阳质量，这是大约10年内的结果。有时把这些天体称作中等质量黑洞以便和超大质量黑洞区分，无论叫什么，这是目前种子黑洞的最好证据。

　　这些种子黑洞成长为驱动类星体的超大质量黑洞。我要给出的结论就是，就像人类，像场内的在做各位，星系也喜欢朋友，也是群居“动物”，因为引力总是将它们拉到一起，好比城市里的人不喜欢生活在深山或荒漠，它们也和人类一样相互吸引。这不是模拟，而是有真实数据，星系会找朋友，就像男朋友找女朋友，女朋友找男朋友，纠缠在一起，然后合并，如果星系合并，就像我刚才说的，每个星系都有黑洞，星系中心的黑洞也会合并，对吗？这难道不是很迷人的现象吗？能否找到这种双黑洞系统？能否找到超大质量黑洞的合并事件？

　　我说的不是LIGO探测到的哪种，LIGO探测的是恒星量级的黑洞，上个月Kip Thorne和他的同事在讲座中讨论了30个太阳质量的黑洞合并事件，而这些是10万、100万甚至十亿倍太阳质量的黑洞，怎样找到它们呢？我们预测信号不是LIGO探测到的那种高频信号，应该是频率非常低的信号，信号周期不是秒的量级，而是年的量级，应该也产生引力波，我认为这个重大突破，在座的各位可能有希望在不久的将来看到，或许5到10年。我当然希望诺贝尔奖评委会也会认为这个发现有价值，这件事将会非常非常激动人心，将会有很丰富的电磁辐射现象，因为星系有大量的气体，这是我对近期的期望，这就是我今天要分享的内容。

　　关于寻找和发现超大质量黑洞的所有研究，佐证了科学发现的本质，当然也说明了作为科学家的意义。我今夜所分享的内容需要几十年的努力，耐心，创新，恒心和努力工作，需要用到最新科技的最大的望远镜。


这是威尔逊山的非常著名的两米半口径的望远镜，来中国前我在那里工作过，埃德温?哈勃曾用过这个望远镜，向世人揭示除了银河系还有其他星系，揭示了星系之间加速远离的事实，因此存在大爆炸。


这是建在南加州帕洛玛山的5米口径的望远镜，就是用它在1963年发现了类星体的存在。


这就是以埃德温?哈勃命名的太空望远镜，用它获得了我刚才所说的过去20年的所有突破。


这是夏威夷的10米口径的双胞胎望远镜，科学家用他们耐心地拍了20年照片来观测天体运动，观测恒星绕银河系的运动来测量中心黑洞的质量。

　　中国今天也是非常重要的一环，中国正在历史的交叉路口，中国已经发展到可以投资基础科学研究的地步，甚至可以投资像大家可能说毫无实用的天体物理这种基础研究，在以前几乎不可能。这种改变就像我个人的人生一样不可能，就像我是何以来到中国，今天下午可以站在大家面前。



　　我50年前生于广东顺德，这是我离开故乡之前，当初离乡也是迫不得已，那时的条件非常困难，正值文革中期，这是我们村的邻居们，我还记得那时很少有人可以果腹，这是今日之中国，已成为经济大国，很快也会成为科学大国，此生得见如此转变，难道不令人惊叹吗？你们大多数年轻人或许不了解这些，而这才是你们熟知的上海，你们享受生活，但不知道我们从哪里走来，这个变化真的翻天覆地。所以我认为我们，特别是年轻人应该思考，你们要在将来扮演什么样的角色。



　　这个东西真的证明了中国如何快速发展，我们建造了称作“FAST”的望远镜，500米口径的世界上最大的射电望远镜，去年在贵州完工。中国是世界上最昂贵的天文设备的成员，中国是造价60亿欧元的SKA射电望远镜的成员，它工作在无线电波段，SKA和FAST都将是利用脉冲星计时来探测黑洞合并产生的引力波的领先设备。中国也是30米口径望远镜的成员，这是世界上三个10亿美元或10亿欧元级别的望远镜中的一个，中国参与了10%，作为一个国家，作为这个时代的人，我们都应该深入思考，应该如何好好利用这些难得的机会，我们是如此幸运，可以进一步深入推进人对宇宙的认知，对人类在宇宙中的位置的认知，以及我们我们对社会的贡献，感谢给我机会分享我的科学故事，分享科学发现和在中国成为科学家的经历，非常感谢。