M87

作者：文/虞子期

时至今日，相信很少有人会对M87 *黑洞感到陌生，因为，有史以来人类拍摄到的首张黑洞图片，便是这个位于M87星系中心的超大质量黑洞。倘若宇宙天体也能像我们人类社会中的明星一样C位出道，那么，M87 *黑洞就满足所有条件、并已大有声望。而在科学家们的最新研究中，这个名声在外的黑洞所发射出的物质射流，竟然可以接近、甚至超越光速。那么，X射线下的M87 *黑洞射流，为什么能打破物理定律超光速运动？

来自哈勃望远镜的可见光，以及来自大阵列望远镜的射电图像

检测M87 *黑洞喷出射流的超光速运动

距离上一次事件视界望远镜（Event Horizon）拍摄到M87 *黑洞图像，已过去了近9个月时间，而我们的年历也从2019过渡到了2020年。很长时间以来，科学家们一直尝试着在不同波长下对M87 *黑洞射流进行观测，这其中就包括了之前在可见光、红外光以及无线电情况下捕获的M87 *黑洞射流图像，以及本次有异常新发现的X射线电磁波（能量大且波长极短）。

而M87 *黑洞射流此次观测到的异常运动速度，即：该超大质量黑洞喷出射流中的大部分，竟然都以跟光速相当的速度运动着（大约99%），这也是天文科学家们第一次通过钱德拉X射线（Chandra）观测所得到的数据结果。简而言之，X射线电磁波记录下了M87 *黑洞射流的极端运动速度。

钱德拉X射线捕获到M87 *黑洞射流拥有光速值99%以上的移动速度

很多对黑洞有误解的人都以为，黑洞会将周围的所有物质都吸入自己的内部，但事实上却并非如此。比如，那些围绕着吸积盘做旋转运动的物质，就并不会被一同被吸入黑洞之中。那些没有被黑洞吸入的大部分物质，都会再次被轮回到宇宙空间中。而这些遵循磁场线的射流，其实就是那些以射束、或射流形式喷出的物质。

由于这些射流的返回太空之旅也并非一帆风顺，所以，才形成了科学家们观测到的团块状结构。事实上，科学家们已经对这些团块的运动跟踪了数年时间，尤其是其中与超大质量黑洞分别相距2500光年和900光年左右的两个团块。而钱德拉X射线所观测到的超光速运动便来自于此，两个节点的移动速度分别达到了光速的6.3倍和2.4倍。但这样的数据结果明显是“不可能的”，因为理论上应该没有什么可以超越光速。

M87 *黑洞射流真的打破了物理定律？

然而，随之而来的问题便是：按道理来说，这个世界上应该不存在比光速更快的速度。众所周知，没有任何物体的运动可以超越光速，这便是物理学中不可能被打破的定律之一。那么，这就意味着M87 *黑洞射流还存在着其他复杂的问题，也就是所谓的“超光速运动”的本质是哪些原因引起的。关于超光速运动，我们可以用更简单易懂的语言来描述它。

之所以我们会观察到“超光速运动”，本质上是其在我们视线中的移动速度接近光速。

首先，目标物体相对于我们观察视线的移动路径，以及其移动的真实速度都是超光速运动的两个重要方面。之所以我们会感觉某种物体的移动速度超越了光速，主要是由于该物质射流的传播速度特别接近光速。虽然来自M87 *黑洞的射流几乎对准了我们的视线，给研究人员呈现了一种不可能存在的移动速度，但本质上不过是其路径和速度带给我们的错觉罢了。

当然了，在进行此项研究之前，科学家们就曾观察到过这样的射流移动速度，但区别就在于这一次是在X射线下观测到的运动情况。或许很多对电磁波并不了解的人会认为，这一观察结果与以往并没有什么不同，但事实上这很可能意味着该移动速度是冲击波，而不是射流中团块自身的移动速度。与此同时，从M87 *黑洞喷出的射流，在围绕磁场运动的时候呈现出螺旋形状，这对于解开之所以研究人员会观察到如此快的移动速度也有所帮助。

在对M87 *黑洞射流进行观测的过程中，研究人员发现在五年的时间里（2012到2017年），其中移动速度达到光速6.3倍的射流，在这期间褪色程度达到了70%（X射线），并且，这一特殊变化并没有发生在紫外线和光学这两个方面。这说明了这些粒子失去能量的过程，应该就缓慢地发生在磁场旋转的运动过程之中，科学家们将这一过程称为加速器冷却。

简单来说，这足以印证科学家们在不同时间里观测到的X射线源自于相同的粒子，而那些超光速移动的物体就是射流本身的物质。毋庸置疑，通过这长达数年的一系列研究，我们了解到M87 *黑洞喷出的射流，的确在以接近速度极限（光速）的速度移动。虽然其真实的移动速度并没有达到数据显示的光速的6.3倍，但真实移动情况也相当于光速的99%左右。

关于M87 *黑洞与它所在的星系Messier 87

M87 *黑洞所在的星系名叫处女座A，很多时候我们也将这个超大椭圆星系称为M87（Messier 87 ）或NGC4486。为了让大家对这个星系有比较具象的了解，不妨将其与我们更为熟悉的银河系进行对比。与我们相距5300万光年的M87到底有多大？跨越24万光年的它比我们的银河系还要长一点。

并且，我们的银河系周围只存在着大约200个球状星团，而M87星系的周边却拥有多达1.2万个球状星团。简而言之，M87这个星系中所拥有的恒星和整体质量，远比我们的银河系多得多、且大得多。再加上该星系中同时还包含了大量的球状星团，所以导致其散发出耀眼的光茫（绝对值-22左右）。

视觉亮度8.6mag 的E1型椭圆银河Messier 87 在处女座星座中的位置

很多时候，我们也将超大质量黑洞称为SMBH，而M87 *黑洞就位于该星系的中心位置。M87 *黑洞算得上是已知星系中质量较大的黑洞，相当于我们太阳质量的64倍、太阳体积的680万倍左右，而其喷射出的物质射流甚至可以向太空延伸5000光年左右。

事实上，包括位于我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*，其大小也不过是M87中心超大质量黑洞M87 *的千分之一左右。大部分研究人员认为，M87 *黑洞之所以可以拥有如此巨大的质量和体积，主要是通过数百个较小的黑洞融合形成，而非简单的单个黑洞吞噬周围物质就可以做到。

M87 *黑洞喷出的射流长达五千光年，位于图像周围的点是球状星团。

钱德拉的M87 *黑洞观测数据与EHT互补

从第一张黑洞照片公布开始，我们就知道了EHT指的是事件视界望远镜，而它所拍摄的黑洞特写镜头正是M87 *黑洞。虽然事件视界的黑洞图像要比钱德拉捕获的图像小一亿倍左右，但这两个观测结果起到了很好的互补效果。

钱德拉X射线的观测对象主要针对的是时间达到数百年、乃至数千年的黑洞喷出物质，而事件视界望远镜则是对该黑洞视界环的6天时间进行成像。众所周知，宇宙中的所有存在体都有其既定的生命周期和演化阶段，相信所有人都关注地球、太阳系、乃至银河系的未来。

由八台地面射电望远镜构成的EHT所拍摄的M87 *黑洞及其阴影

所以，历代科学家们都将很大一部分精力用在了解恒星、行星，甚至宇宙起源相关的问题上。而黑洞又是所有大质量星系所共有的组成部分，包括我们的银河系也是如此。由于黑洞本身的特性，导致了整个星系中的物质形成都与其存在关联，而星系的演化就这样被超大质量黑洞隐形地推动着。

我们之所以如此关注M87 *黑洞，自然是因为许多星系中的黑洞都与其存在不少的相似之处。比如，通过对M87 *黑洞的观测，科学家们了解到超大质量黑洞在星系中的位置并不是固定不变的，而这样的移动现象被视为黑洞合并模型的重要标志。简而言之，我们可以利用对其他宇宙存在体的研究，对我们自己所在的世界有更多了解，包括已经成为历史的生命过程，以及未来可能会经历的演化阶段。

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