揭秘M87黑洞射流超光速之谜：哈勃望远镜与大阵列望远镜的最新发现

今天，相信很少有人对M87*黑洞感到陌生，因为人类拍摄的第一张黑洞图像就是这个位于M87星系中心的超大质量黑洞。如果宇宙天体能够像我们人类社会中的恒星一样首次亮相C级，那么M87*黑洞将满足所有条件并名声大噪。在科学家的最新研究中，这个著名的黑洞发射的物质射流可以接近甚至超过光速。那么，为什么X射线下的M87*黑洞喷流能够打破物理定律，以超光速运动呢？

来自哈勃望远镜的可见光和来自大阵列望远镜的射电图像

探测从 M87* 黑洞喷出的射流的超光速运动

距离事件视界望远镜上次捕捉到M87*黑洞的图像已经过去了近九个月，我们的年历也从2019年过渡到了2020年。长期以来，科学家们一直在努力观测M87*黑洞不同波长的喷流，包括之前在可见光、红外光和无线电中捕捉到的M87*黑洞喷流图像，以及这次的异常现象新发现的X射线电磁波（高能和极端）短波长）。

此次观测到的M87*黑洞喷流的异常速度，即超大质量黑洞喷出的大部分喷流，实际上是以相当于光速的速度运动的（约99%）。这也是天文学家首次观测到这一现象。从单次钱德拉 X 射线 ( ) 观测中获得的数据结果。简而言之，X射线电磁波记录了M87*黑洞喷流的极限速度。

钱德拉 X 射线捕捉到 M87* 黑洞喷流以超过光速 99% 的速度移动

很多对黑洞有误解的人都认为黑洞把周围的所有物质都吸进了自己的体内，但事实上事实并非如此。例如，围绕吸积盘旋转的物质不会一起被吸进黑洞。大部分没有被吸进黑洞的物质都会再次转世到宇宙中。这些跟随磁场线的射流实际上是以束或射流形式喷射的物质。

由于这些喷气机返回太空的旅程并非一帆风顺，因此它们形成了科学家观察到的团块状结构。事实上，科学家多年来一直在追踪这些团块的运动，尤其是距离超大质量黑洞约2500光年和900光年的两个团块。钱德拉X射线观测到的超光速运动就来源于此，两个节点的移动速度分别达到光速的6.3倍和2.4倍。但这样的数据结果显然是“不可能的”，因为理论上应该没有任何东西能够超过光速。

M87*黑洞喷流真的打破了物理定律吗？

然而随之而来的问题是：按理说，这个世界上不应该有比光速更快的速度。众所周知，没有任何物体的运动速度能够超过光速。这是无法打破的物理定律之一。那么，这意味着M87*黑洞喷流还存在其他复杂的问题，即所谓“超光运动”本质的成因是什么。关于超光运动，我们可以用更简单易懂的语言来描述。

我们之所以观察到“超光速运动”，本质上是因为它在我们的视线中以接近光速的速度运动。

首先，目标物体相对于我们视线的运动路径和其运动的真实速度是超光速运动的两个重要方面。我们之所以感觉物体运动速度比光速还快，主要是因为物质射流的传播速度特别接近光速。尽管来自M87*黑洞的喷流几乎与我们的视线一致，并为研究人员提供了不可能的移动速度，但它本质上只是其路径和速度给我们带来的幻觉。

当然，科学家在进行这项研究之前就观察到了喷射机以这样的速度移动，但不同的是，这次的移动是在 X 射线下观察到的。或许很多对电磁波不太了解的人会认为这次观测与过去没有什么不同，但实际上这很可能意味着移动速度是冲击波，而不是喷流本身质量的移动速度。与此同时，从 M87* 黑洞喷出的喷流在绕磁场运动时呈现出螺旋形状，这也有助于解释为什么研究人员观察到如此快速的运动。

在观测M87*黑洞喷流的过程中，研究人员发现，在五年的时间里（2012年至2017年），以6.3倍光速运动的喷流在此期间消退了70%（X-射线），而这种特殊的变化在紫外线和光学方面都没有发生。这表明这些粒子失去能量的过程应该在磁场旋转过程中缓慢发生。科学家称这个过程为加速器冷却。

简单来说，这足以证实科学家在不同时间观测到的X射线源自同一个粒子，而那些运动速度比光速还快的物体就是喷流本身的物质。毫无疑问，通过这一系列跨越数年的研究，我们了解到M87*黑洞喷出的喷流确实正在以接近速度极限（光速）的速度运动。虽然它的真实运动速度没有达到数据显示的6.3倍光速，但它的真实运动相当于光速的99%左右。

关于 M87 *黑洞及其所在的星系87

M87*黑洞所在的星系被称为室女座A，很多时候我们也称这个超大椭圆星系为M87（87）或者。为了让大家对这个星系有更具体的认识，我们不妨将它与我们更熟悉的银河系进行比较。距离我们5300万光年的M87有多大？它横跨 240,000 光年，比我们的银河系稍长。

而且，我们银河系周围只有大约200个球状星团，而M87星系周围的球状星团却多达12000个。简而言之，M87 星系包含更多的恒星，总质量也比我们的银河系大得多、质量也大得多。此外，该星系还含有大量的球状星团，这导致它发出耀眼的光芒（绝对值约为-22）。

视觉亮度为8.6mag的E1型椭圆星系 87在处女座的位置

很多时候，我们也将超大质量黑洞称为SMBH，而M87*黑洞就位于这个星系的中心。 M87*黑洞可以被认为是已知星系中质量最大的黑洞，相当于太阳质量的64倍，体积约为太阳的680万倍。它喷射的物质射流甚至可以延伸到约5000光年的太空中。

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*在内，其大小仅为M87中心的超大质量黑洞M87*的千分之一左右。大多数研究人员认为，M87*黑洞之所以能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而成，而不是简单地由单个黑洞吞噬周围的物质。

M87*黑洞喷流长达5000光年，图像周围的点是球状星团。

钱德拉的 M87* 黑洞观测数据补充了 EHT

自从第一张黑洞照片发布以来，我们就知道EHT指的是事件视界望远镜，它拍摄到的黑洞特写就是M87*黑洞。尽管事件视界处的黑洞图像比钱德拉捕获的图像小约一亿倍，但这两个观测结果非常互补。

钱德拉X射线观测的主要对象是黑洞喷射出的持续数百年甚至数千年的物质，而事件视界望远镜则对黑洞事件视界环进行6天的成像。众所周知，宇宙中的所有实体都有其既定的生命周期和进化阶段。相信大家都关心地球、太阳系、甚至银河系的未来。

由八个地面射电望远镜组成的 EHT 捕捉到的 M87* 黑洞及其阴影

因此，历代科学家都投入了很大一部分精力来了解与恒星、行星、甚至宇宙起源有关的问题。黑洞是所有大质量星系的共同组成部分，包括我们的银河系。由于黑洞本身的特性，整个星系中物质的形成都与它有关，星系的演化也在无形中受到超大质量黑洞的驱动。

我们之所以如此关注M87*黑洞，自然是因为很多星系中的黑洞与它有很多相似之处。例如，通过对M87*黑洞的观测，科学家了解到超大质量黑洞在星系中的位置并不固定，而这种运动被视为黑洞合并模型的重要标志。简而言之，我们可以通过对其他宇宙生命的研究来更多地了解我们自己的世界，包括历史上已经发生的生命过程，以及我们未来可能经历的进化阶段。