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。

射电星系Cen A，半人马座的A，左边的图是光学照片，也是椭圆星系。在星系盘上，有一条暗色的带把它遮挡了，这是一条尘埃带，里面有大量的气体和尘埃，起着吸收里面星光的作用。但是在射电波段里看到的景象完全不一样，有两个突出的瓣状结构，它的尺度可以有几十个KPC，比银河系更大。如果在复合的射电和光学的照片上把它叠加起来，会看到这个星系本身和它所产生的射电辐射的两个瓣在形态上是完全不一样的。它们反映了不同的物质、不同的结构。光学的照片反映的是星系里面恒星的分布，但这是射电波段，它们是高速运动的气体。在上面运动时，里面包含了大量的电子，这些电子在运动的气体里面还可能存在着磁场，而电子在磁场的环境里面会产生“同步加速辐射”。在两个瓣的前部看到明亮的结构，就是物质和周围的“星系际的物质”，相互碰撞产生了高温的区域。射电的辐射数和尘埃带似乎是垂直的。最根本的原因是中心有一个超大质量的黑洞。这是尘埃带里最中心的区域，这是利用红外的空间望远镜观测到的尘埃盘。尘埃盘里面的物质源源不断地给中心的黑洞输送吸积的原料，吸积的原料里面一部分以喷流的方式从两个相反的方向被抛射出来，构成了射电波段图像。

在近距离的宇宙或近邻的星系里，有大量黑洞存在的证据。在最遥远的、高红移的地方，黑洞主要是通过“类星体”表示出来。“类星体”是类似恒星的天体，在光学波段上，他们看上去跟恒星差不多。但它是比恒星远得多的星系。之所以形态上像恒星，是因为离得太远，它星系的主体已经看不到了，看到的是它最明亮的核心。这几个核心就是超大质量黑洞，在吸积的过程里所产生的辐射。我们所谓的类星体，就是离银河系最遥远的“星系的核”。这些“类星体”在宇宙最早期的时候是最多的，这是为什么它们出现在高红移区域的原因。它们的结构很杂乱，并且往往成群成对或好几个一起出现。这些大质量的黑洞之所以产生这么强烈的辐射，之所以能够形成，重要的原因是星系和星系之间相互的作用而导致的。星系在最早期形成的时候，处于弱肉强食的阶段。星系跟星系之间会发生剧烈的碰撞或并和，会使得一个相对较小的黑洞变成一个更大质量的黑洞。在宇宙形成不到十亿年的时间里，已经有非常大质量的黑洞产生，他们主体上就是通过这样的过程形成的。

银河系里也有一个超大质量黑洞，但是相比而言，质量不是那么大。这幅图像并不是黑洞本身，因为我们看不到它，我们看到的是它的影响。这两张照片都展示了在银河系最中心的位置上恒星的运动。右边的箭头跟左边的黄色十字所代表的是“人马座A*”，银河系的中心就位于人马座。人们通过精细的观测人马座附近恒星的运动，可以得到它完整地绕人马座做圆轨道或者椭圆轨道运动的周期、位置变化。根据位置变化，可以去测量这个区域里面包含的总质量。目前我们能够探测到的人马座A*的最小半径，大概是一个天文单位或一个日地的距离（太阳到地球的距离）。在这个大小里，通过恒星的运动，测量出它的质量，是400万个太阳质量。在地球轨道里，如果放入400万个太阳，会是什么样的情形？唯一的可能就是它是一个黑洞，这个黑洞是不活跃的，因为它得到的气体的含量现在比较少，它在过去可能曾经经历了一个活跃期，但是由于在黑洞附近，总有些恒星可能因为某种原因接近它。比如受到潮汐力的影响或者跟其他恒星的相互作用，也会被黑洞所俘获，会产生暂现的“耀发现象”。银河系可能每隔一段时间就会突然明亮一下。这是由于一颗恒星或者一团气体离黑洞太近，被黑洞所捕获，在俘获的过程里被瓦解，被潮汐撕裂，最后进入黑洞。在这个过程里，它同样会释放能量，只不过持续的时间比较短。人们通过统计和对银河系中心的长期观测，发现了不止一次的耀发过程。

中等质量黑洞，中等质量大概100个太阳质量到几万个太阳质量。天文学家曾经猜想或者假设它们可能存在。根据现在的恒星演化理论，黑洞的形成，如果来自正常的恒星，不会超过20倍太阳质量。即使100倍太阳质量的恒星，最后也会形成20倍太阳质量的黑洞，大部分的物质都流失了，所以恒星很难通过正常的演化形成这类天体，需要一些特殊的机制。比如在宇宙最早期，第一代的恒星可能有上千倍甚至上万倍太阳质量，它们可能会直接坍缩变成这类天体。如果它们确实存在并且遗留下来，就有可能通过类似的引力俘获来产生高能辐射。在最近十年，在一些星系里看到了一些非常明亮的X射线源，它们的明亮程度远远超过银河系里正常的恒星级的黑洞。所以人们猜测这类黑洞可能就是中等质量黑洞，如果是，它就可以成为超大质量黑洞的种子。从中等质量黑洞可以比较快地生长为超大质量黑洞。它们往往是出现在活动星系或星系形成比较快的星系里。无论是M82，还是天线星系，两个正在相互并合的星系，由于它的恒星形成比较快，所以可能更多地会形成这类超亮的X射线源，其中有一小部分可能属于中等质量黑洞。

黑洞的研究主要依赖高能的X射线的观测，所以在地面上很难进行这样的研究。人们往往是利用放在大气层之外的天文卫星来进行观测。20世纪60年代以来，已经发射了很多的高能卫星，来研究黑洞和其他类型的高能辐射天体。比如现在还在天上运行的美国的Chandra、欧洲的Newton和最近发射上天的美国的NuSTAR，还有以前的Swift和Integral，它们都处于不同的X射线或γ射线的波段，有些空间分辨率特别高，有些能谱分辨率特别高，还有一些可能在时间分辨率上有优势。我们国内在这方面相对处于落后的位置，但是目前正在设计研制一个自主的天文卫星，叫作“硬X射线调制望远镜”（“HXMT”），预计明年会发射上天（2017年已发射成功），我们可以利用自己的卫星来研究宇宙里面的黑洞。