“宇宙馬蹄”——觀測史上最大質量的黑洞

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主譯：遠山真理

校對：甘林

審核：牧夫天文校對組

美編：余家勁

后臺：王啟儒

https://sorae.info/astronomy/20250921-lrg-3-757.html

人們認為，許多星系的中心都存在著極為龐大的“超大質量黑洞”。這些特別巨大的黑洞，其質量可以達到數百億個太陽的水平。但由于測量方法的局限性，這些黑洞的確切質量一直難以確定。

巴西南里奧格蘭德聯邦大學的 Carlos R. Melo-Carneiro等研究團隊，研究了一個昵稱為“宇宙馬蹄”（Cosmic Horseshoe）的結構。他們計算了形成該結構的星系 LRG 3-757 中央黑洞的質量。結果顯示，該黑洞的質量約為 363 億個太陽（范圍在 229 億到 562 億個太陽之間）。這是迄今為止利用高精度方法推算出的最重的黑洞。

隨著新型望遠鏡的投入使用，這種高精度的黑洞質量測量方法有望帶來更多成果。

測量黑洞的重量其實相當困難

人們認為，在許多星系的中心，存在著質量從數百萬倍太陽到數百億倍太陽不等的超大質量黑洞。然而，如此龐大的黑洞究竟是如何形成的？它們又與星系的誕生和演化有什么聯系？圍繞超大質量黑洞的謎團依然很多，相關研究仍在不斷推進。

研究超大質量黑洞的主要障礙之一，就是難以精確推算它們的質量。尤其是那些在“最重黑洞排行榜”上名列前茅的黑洞，很多其實并沒有被準確測量過（可參見后文圖3）。大多數超大質量黑洞的質量估算，都是通過一些間接手段得出，例如：黑洞周邊恒星被清空的程度，或者黑洞吞噬物質時釋放的輻射能量強度。

然而，在極端引力環境下，天體和能量的行為還沒有被充分理解。由于支撐這些推算的物理學本身存在很大不確定性，黑洞質量的估算結果就更加不可靠。因此，那些榜單上位居前列的“巨型黑洞”，是否真的有那么重，目前還無法完全確認。

【▲ 圖1：由哈勃太空望遠鏡拍攝的，被稱為“宇宙馬蹄”的愛因斯坦環 SDSS J114833.14+193003.2。（來源：NASA & ESA）】

另一方面，如果利用一種被稱為“引力透鏡效應”的現象，就能夠更精確地測定黑洞的質量。根據廣義相對論，重力可以表現為時空的彎曲。通常情況下，光會沿直線傳播，但由于重力造成的時空彎曲，光的路徑會發生偏折。光線彎曲的程度由引力源的強度和距離共同決定，因此通過對光線偏折量的反推，可以估算出造成這一引力的質量。

例如，當觀測者的視線方向上有兩個星系幾乎重疊時，位于后方星系的光線會被前方星系的引力彎曲。這樣就會產生類似凸透鏡聚光的效果，使得后方星系的影像出現拉伸、變形甚至分裂。反過來說，只要詳細研究影像的變形情況，不僅可以推算出產生引力的天體質量，還能了解它的分布和大小。如果進行精密的觀測與計算，甚至可以將星系中心黑洞的質量，從星系整體的質量中分離出來單獨推定。

用這種高精度方法測量出的最重黑洞，位于星系 “Abell 1201 BCG”的中心，其質量估算約為 327 億個太陽。此外，還有一種稱為“恒星運動學”的方法，也能幫助推算黑洞的質量。黑洞的引力越強，其周圍恒星的運動速度上限就越高。通過這種方式，可以相當精確地估計黑洞的質量。不過，這一手法僅適用于附近星系，因為它需要足夠高的分辨率來分辨恒星的運動。在距離數十億光年的遙遠星系中，這種方法幾乎沒有得到應用。

在“宇宙馬蹄”中發現巨大黑洞！

巴西南里奧格蘭德聯邦大學的 Carlos R. Melo-Carneiro等研究團隊，將這種研究方法應用到了昵稱為“宇宙馬蹄”的天體上。這個位于獅子座方向的結構于 2007 年通過斯隆數字巡天（SDSS）被發現，因此也常被稱為其目錄名 “SDSS J114833.14+193003.2”（SDSS J1148+1930）。

【▲ 圖2：“宇宙馬蹄”的結構。作為中心的星系也被稱為 LRG 3-757。（來源：NASA, ESA & Tian Li（University of Portsmouth））】

研究表明，“宇宙馬蹄”實際上是至少三個星系共同作用形成的復合結構：

· 主透鏡（primary lens）：位于宇宙馬蹄中心的星系，是引力透鏡效應的來源，被命名為 LRG 3-757。其質量估算約為 5 萬億個太陽，距離地球約 57 億光年。

· 徑向弧（radial arc）：由于 LRG 3-757 的引力作用而扭曲變形的星系。它形成了一個 U 形結構，是“宇宙馬蹄”名字的由來，距離地球約 190 億光年。

· 切向弧（tangential arc）：同樣受 LRG 3-757 引力影響而變形的另一個星系，其影像被分裂成兩部分：一部分緊鄰主透鏡，另一部分則出現在對側遠離的位置。距離地球約 171 億光年。

注：這里的所有距離均為“共動距離”，即在考慮宇宙膨脹的情況下，光傳播經過的實際空間距離。計算時所采用的哈勃常數等物理參數均基于原始論文。

其中最為顯著的，是包圍中心光源的 U 形弧狀構，它看上去像一枚馬蹄鐵，因此被稱為“宇宙馬蹄”。這一結構實際上是引力透鏡效應下，星系影像被拉伸成環狀或接近環狀所形成的。這類環狀結構被稱為“愛因斯坦環”。在發現時，宇宙馬蹄還是當時視直徑最大的愛因斯坦環。

不過，在本次研究中，主角并不是這一顯眼的徑向弧，而是相對不顯眼的切向弧以及中心的 LRG 3-757。切向弧的影像一分為二：一部分靠近 LRG 3-757，另一部分則遠離其對側。這一結構不僅受到星系本身引力的影響，還受到其中心黑洞引力的顯著干擾，因此對黑洞質量的推算至關重要。

研究團隊利用哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像，結合常規計算與理論模型模擬，推定了引力源的質量。同時，他們還使用歐洲南方天文臺的超大望遠鏡 VLT 上的光譜觀測儀 MUSE（多單元光譜探測器） 進行了補充觀測，測量了 LRG 3-757 內部恒星的運動速度。觀測結果顯示，恒星的平均運動速度高達 366 ± 6 km/s。考慮到 LRG 3-757 距離地球約 57 億光年，這一觀測精度極為驚人。

通過對切向弧影像的分析以及恒星運動速度的測量，Melo-Carneiro 團隊推算出：LRG 3-757 中央黑洞的質量約為 363 億個太陽質量。這不僅超過了此前 Abell 1201 BCG 的紀錄，也是迄今為止用高精度方法測得的最重黑洞。同時，相較于其他星系，LRG 3-757 的黑洞與其本體質量的比值也顯得格外龐大。

根據約 363 億個太陽的質量推算，該黑洞的直徑（即事件視界直徑）大約為 2150 億公里。若將它放在太陽系中央，其范圍會遠遠超過冥王星到太陽的最遠距離（約 74 億公里），甚至是這個距離的 14 倍以上。

超大質量黑洞的發現將會變得不再稀有？

【▲ 圖3：可能為極其巨大黑洞（BH）的一覽表。位居排行榜前列的多數黑洞，其質量推算方法本身存在較大不確定性。（來源：彩恵りり）】

本次研究的意義在于，首次能夠精確測量一個遠方且不活躍的黑洞的質量。大多數星系中心的黑洞處于不活躍狀態，因此往往連基于輻射強度的低精度估算都無法進行。

尤其像本次觀測到的 LRG 3-757 這樣的星系，被認為已經進入演化的最終階段：它周圍的伴星系幾乎都已并入本體，因此不再發生顯著變化。而質量高達數百億倍太陽的超大質量黑洞，也被認為正是通過星系合并而形成的。

處于這種演化階段的黑洞幾乎沒有可能再重新吞噬物質而變得活躍。因此，這項研究的重要性就在于，它成功測得了此前無法推定質量的不活躍黑洞。

不過，LRG 3-757 中發現的這一紀錄級黑洞，也許很快就會被刷新。例如，剛剛開始運行的太空望遠鏡 “歐幾里得（Euclid）”，預計在未來五年內將發現數十萬個由引力透鏡效應造成的影像。此外，正在建設中的 “歐洲極大望遠鏡（E-ELT）” 也有望以極高精度測量大量星系中恒星的運動速度。隨著這些新一代望遠鏡的投入使用，我們或許會發現，宇宙中其實遍布著無數龐大的黑洞。

責任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

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宇宙馬蹄

圖源：ESA/Hubble & NASA

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