星系里超大质量的黑洞——以巨椭圆星系M87为例
第一个是非常著名的星系,叫作“巨椭圆星系M87”。银河系是盘状的,扁盘形态,但宇宙里也有很多星系是球形的,或者是椭球形的。M87就是近似球形的星系。它的质量远远超过了银河系的质量,处于“室女星系团”最中心位置。这四幅照片展示了在三个不同波段去看M87,上面两幅是光学照片,下面两幅,左边是射电或无线电的,右边是红外的。
在光学照片上,是星系的恒星所发出来的光,主体是恒星。把中心的结构放大,会看到在星系中心有突出来的结构,这就是喷流。这两张照片分别是用地面望远镜和用空间哈勃望远镜观测得到的。喷流是怎么样形成的?为了研究这个,人们在射电波段也进行了观测,发现它的长度达到几个KPC,PC代表秒差距,1个秒差距大约是3.26个光年。1个KPC就是3000多光年,这个有上万光年长。它的喷流里有很多团块状的结构,说明物质向外的喷射并不是连续的,更像炮弹的发射,一颗一颗地向外面喷射。红外波段同样展示了喷流的结构,而对喷流的研究,归根结底反映在最中心的天体上。因为从喷流整个的尺度,追寻到它的最根本的地方,会发现它对应着M87里最明亮的核心的区域。人们对它做光学的谱线观测,通过分光的方法观测中心区域,看到两个不同的圆圈对应的两团气体,同一根谱线处于不同的波长上面,一个偏向于蓝移,一个偏向于红移,反映了气体在做转动。红移和蓝移反映了它在离开我们和朝向我们运动,谱线位移的变化反映了运动速度的大小。如果我们知道M87离我们到底有多远,就可以利用它的运动速度,利用它离中心的距离,估计最中心到底有多强的引力场,才能够控制它做这么快速的转动。在M87最核心的区域里,包含了大约几十亿倍的太阳质量的物质,它的大小是秒差距,是光年量级的。在这么小的空间里,集中了这么大的引力质量,唯一剩下的可能性就是这里有一个黑洞,不可能有其他的物质形式。譬如人们以前想象这里可能会有一个非常致密的星团。但即使是最致密的星团,它的大小也比它更大,它的质量也达不到它的要求。
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