“宇宙马蹄”——观测史上最大质量的黑洞

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主译：遠山真理

校对：甘林

审核：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：王启儒

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

人们认为，许多星系的中心都存在着极为庞大的“超大质量黑洞”。这些特别巨大的黑洞，其质量可以达到数百亿个太阳的水平。但由于测量方法的局限性，这些黑洞的确切质量一直难以确定。

巴西南里奥格兰德联邦大学的 Carlos R. Melo-Carneiro等研究团队，研究了一个昵称为“宇宙马蹄”（Cosmic Horseshoe）的结构。他们计算了形成该结构的星系 LRG 3-757 中央黑洞的质量。结果显示，该黑洞的质量约为 363 亿个太阳（范围在 229 亿到 562 亿个太阳之间）。这是迄今为止利用高精度方法推算出的最重的黑洞。

随着新型望远镜的投入使用，这种高精度的黑洞质量测量方法有望带来更多成果。

测量黑洞的重量其实相当困难

人们认为，在许多星系的中心，存在着质量从数百万倍太阳到数百亿倍太阳不等的超大质量黑洞。然而，如此庞大的黑洞究竟是如何形成的？它们又与星系的诞生和演化有什么联系？围绕超大质量黑洞的谜团依然很多，相关研究仍在不断推进。

研究超大质量黑洞的主要障碍之一，就是难以精确推算它们的质量。尤其是那些在“最重黑洞排行榜”上名列前茅的黑洞，很多其实并没有被准确测量过（可参见后文图3）。大多数超大质量黑洞的质量估算，都是通过一些间接手段得出，例如：黑洞周边恒星被清空的程度，或者黑洞吞噬物质时释放的辐射能量强度。

然而，在极端引力环境下，天体和能量的行为还没有被充分理解。由于支撑这些推算的物理学本身存在很大不确定性，黑洞质量的估算结果就更加不可靠。因此，那些榜单上位居前列的“巨型黑洞”，是否真的有那么重，目前还无法完全确认。

【▲ 图1：由哈勃太空望远镜拍摄的，被称为“宇宙马蹄”的爱因斯坦环 SDSS J114833.14+193003.2。（来源：NASA & ESA）】

另一方面，如果利用一种被称为“引力透镜效应”的现象，就能够更精确地测定黑洞的质量。根据广义相对论，重力可以表现为时空的弯曲。通常情况下，光会沿直线传播，但由于重力造成的时空弯曲，光的路径会发生偏折。光线弯曲的程度由引力源的强度和距离共同决定，因此通过对光线偏折量的反推，可以估算出造成这一引力的质量。

例如，当观测者的视线方向上有两个星系几乎重叠时，位于后方星系的光线会被前方星系的引力弯曲。这样就会产生类似凸透镜聚光的效果，使得后方星系的影像出现拉伸、变形甚至分裂。反过来说，只要详细研究影像的变形情况，不仅可以推算出产生引力的天体质量，还能了解它的分布和大小。如果进行精密的观测与计算，甚至可以将星系中心黑洞的质量，从星系整体的质量中分离出来单独推定。

用这种高精度方法测量出的最重黑洞，位于星系 “Abell 1201 BCG”的中心，其质量估算约为 327 亿个太阳。此外，还有一种称为“恒星运动学”的方法，也能帮助推算黑洞的质量。黑洞的引力越强，其周围恒星的运动速度上限就越高。通过这种方式，可以相当精确地估计黑洞的质量。不过，这一手法仅适用于附近星系，因为它需要足够高的分辨率来分辨恒星的运动。在距离数十亿光年的遥远星系中，这种方法几乎没有得到应用。

在“宇宙马蹄”中发现巨大黑洞！

巴西南里奥格兰德联邦大学的 Carlos R. Melo-Carneiro等研究团队，将这种研究方法应用到了昵称为“宇宙马蹄”的天体上。这个位于狮子座方向的结构于 2007 年通过斯隆数字巡天（SDSS）被发现，因此也常被称为其目录名 “SDSS J114833.14+193003.2”（SDSS J1148+1930）。

【▲ 图2：“宇宙马蹄”的结构。作为中心的星系也被称为 LRG 3-757。（来源：NASA, ESA & Tian Li（University of Portsmouth））】

研究表明，“宇宙马蹄”实际上是至少三个星系共同作用形成的复合结构：

· 主透镜（primary lens）：位于宇宙马蹄中心的星系，是引力透镜效应的来源，被命名为 LRG 3-757。其质量估算约为 5 万亿个太阳，距离地球约 57 亿光年。

· 径向弧（radial arc）：由于 LRG 3-757 的引力作用而扭曲变形的星系。它形成了一个 U 形结构，是“宇宙马蹄”名字的由来，距离地球约 190 亿光年。

· 切向弧（tangential arc）：同样受 LRG 3-757 引力影响而变形的另一个星系，其影像被分裂成两部分：一部分紧邻主透镜，另一部分则出现在对侧远离的位置。距离地球约 171 亿光年。

注：这里的所有距离均为“共动距离”，即在考虑宇宙膨胀的情况下，光传播经过的实际空间距离。计算时所采用的哈勃常数等物理参数均基于原始论文。

其中最为显著的，是包围中心光源的 U 形弧状构，它看上去像一枚马蹄铁，因此被称为“宇宙马蹄”。这一结构实际上是引力透镜效应下，星系影像被拉伸成环状或接近环状所形成的。这类环状结构被称为“爱因斯坦环”。在发现时，宇宙马蹄还是当时视直径最大的爱因斯坦环。

不过，在本次研究中，主角并不是这一显眼的径向弧，而是相对不显眼的切向弧以及中心的 LRG 3-757。切向弧的影像一分为二：一部分靠近 LRG 3-757，另一部分则远离其对侧。这一结构不仅受到星系本身引力的影响，还受到其中心黑洞引力的显著干扰，因此对黑洞质量的推算至关重要。

研究团队利用哈勃太空望远镜拍摄的图像，结合常规计算与理论模型模拟，推定了引力源的质量。同时，他们还使用欧洲南方天文台的超大望远镜 VLT 上的光谱观测仪 MUSE（多单元光谱探测器） 进行了补充观测，测量了 LRG 3-757 内部恒星的运动速度。观测结果显示，恒星的平均运动速度高达 366 ± 6 km/s。考虑到 LRG 3-757 距离地球约 57 亿光年，这一观测精度极为惊人。

通过对切向弧影像的分析以及恒星运动速度的测量，Melo-Carneiro 团队推算出：LRG 3-757 中央黑洞的质量约为 363 亿个太阳质量。这不仅超过了此前 Abell 1201 BCG 的纪录，也是迄今为止用高精度方法测得的最重黑洞。同时，相较于其他星系，LRG 3-757 的黑洞与其本体质量的比值也显得格外庞大。

根据约 363 亿个太阳的质量推算，该黑洞的直径（即事件视界直径）大约为 2150 亿公里。若将它放在太阳系中央，其范围会远远超过冥王星到太阳的最远距离（约 74 亿公里），甚至是这个距离的 14 倍以上。

超大质量黑洞的发现将会变得不再稀有？

【▲ 图3：可能为极其巨大黑洞（BH）的一览表。位居排行榜前列的多数黑洞，其质量推算方法本身存在较大不确定性。（来源：彩恵りり）】

本次研究的意义在于，首次能够精确测量一个远方且不活跃的黑洞的质量。大多数星系中心的黑洞处于不活跃状态，因此往往连基于辐射强度的低精度估算都无法进行。

尤其像本次观测到的 LRG 3-757 这样的星系，被认为已经进入演化的最终阶段：它周围的伴星系几乎都已并入本体，因此不再发生显著变化。而质量高达数百亿倍太阳的超大质量黑洞，也被认为正是通过星系合并而形成的。

处于这种演化阶段的黑洞几乎没有可能再重新吞噬物质而变得活跃。因此，这项研究的重要性就在于，它成功测得了此前无法推定质量的不活跃黑洞。

不过，LRG 3-757 中发现的这一纪录级黑洞，也许很快就会被刷新。例如，刚刚开始运行的太空望远镜 “欧几里得（Euclid）”，预计在未来五年内将发现数十万个由引力透镜效应造成的影像。此外，正在建设中的 “欧洲极大望远镜（E-ELT）” 也有望以极高精度测量大量星系中恒星的运动速度。随着这些新一代望远镜的投入使用，我们或许会发现，宇宙中其实遍布着无数庞大的黑洞。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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宇宙马蹄

图源：ESA/Hubble & NASA

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