左图为M77星系，右图为研究团队用MATISSE观测到的活动星系核。图片来源：ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.

宇宙中大部分星系和银河系一样，光线主要是由恒星发出的。不过，也有一些星系核心发出的光足以让整个星系显得暗淡无光，它们被称为活动星系核。活动星系核有很多种表现形式，其中类星体被认为是宇宙中最亮的天体。30年前，天文学家预言所有活动星系核都共享一个“统一模型”，近日，科学家终于通过红外干涉仪的图像证明了这一点。

编译｜王昱

审校｜白德凡

1924年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）分解出了仙女座大星云（M31）中的造父变星，发现其距离超出了银河系的尺度，这革新了天文学家的认知——在银河系外，同样存在无数的河外星系。从那之后，天文学家在不同波段对大量星系展开了统计观测。他们发现大部分星系和银河系一样，光谱主要为黑体辐射谱，这表明它们的光都是由恒星的热辐射发出的。

活动星系核

 

不过，上世纪中叶以来，天文学家逐渐发现少部分不一样的星系。这些星系非常亮，其光谱也显示出明显的非热辐射特征。同时，这些星系的光谱能在几天到一年内迅速发生变化，这说明整个星系主要发光的部分尺度不超过1光年。这些星系被称为活动星系，而它们最明亮的核心，就是让天文学家心驰神往的活动星系核（active galactic nucleus, AGN）。

 

说到全宇宙中最高能的天体，常常会让人想到超新星。对公元1054年的超新星，史书记载道：“昼见如太白，芒角四出，色赤白。”即使是白天，人也能用肉眼看到超新星，亮度和金星（太白）相当。但如果按绝对亮度来算，活动星系核产生的类星体才是宇宙中最亮的天体。但是由于距离太过遥远，直到上世纪中叶，天文学家才逐渐确认它的存在。

 

除此之外，有的活动星系核还会释放射电辐射；有的活动星系核则略显克制；有的还存在绵延数千光年的喷流，在一些星系中，因为角度和速度的关系，喷流的速度在我们看来甚至超越了光速。（当然，这是一种视错觉。）

 



类星体3C 279的艺术想象图，天文学家曾在其中观测到过视超光速现象。图片来源：ESO/M. Kornmesser

统一模型

不过，1993年，罗伯特·安东努奇（Robert Antonucci）提出了一种“统一模型”，他认为，所有的活动星系核本质上都是一样的，都是一个被厚重尘埃环围绕的超大质量黑洞，它以尘埃为食，物质在被黑洞吞噬前，会绕着黑洞盘旋加速，释放大量能量，这个过程中释放的非热辐射会让整个星系都黯然失色。我们观测到不同类型的活动星系核，只是因为它朝向我们的方向不同而已。

 



活动星系核的统一模型，从不同方向上看，活动星系核分别会表现出不同的性质。图片来源：Urry & Padovani (1995) 

因为这种模型简单且合理地解释了天文学家观测到的现象，并且和观测事实符合的也很好，它很快被广泛接受了。天文学家之前也找到了一些能支持“统一模型”的证据，其中包括在M77星系中心发现了暖尘埃。然而，对于尘埃能否完全遮蔽黑洞的怀疑仍然没有消解，天文学家仍然怀疑这是否能解释为何M77中心的活动星系核在可见光上比其他的暗。

 

不过，多亏了欧洲南方天文台甚大望远镜干涉仪（VLTI），由荷兰莱顿大学的维奥莱塔·加梅兹·罗斯（Violeta Gámez Rosas）领导的一个研究团队终于能给M77星系中心的活动星系核拍摄一张特写。在厚厚的尘埃后面，隐藏着这个星系中心的狂暴的超大质量黑洞，这证实了30年前的预测，将人类对活动星系核的理解向前再推一步。相关结果近日发表在《自然》杂志上。

尘埃中的黑洞

“尘埃云的性质，以及它们如何作用于黑洞供能，如何决定了黑洞看上去的样子，在过去三十年里一直是活动星系核研究的核心问题。”罗萨斯解释道，“虽然没有一劳永逸解决所有问题的结果，我们仍然在理解活动星系核机制上迈出了重要的一步。”

 

本次观测是由安装在智利阿塔卡马沙漠VLTI上的多孔径中红外光谱实验（MATISSE）实现的。MATISSE能将VLT的四座8.2米望远镜收集的红外光用干涉技术合并起来，研究团队用它扫描了M77的中心，该星系位于鲸鱼座方向，据我们4700万光年。



VLTI照片，它由四个8.2米的望远镜和四个可移动的1.8米望远镜组成。图片来源：ESO/G. Hüdepohl

“MATISSE可以看到很多波长的红外线，这让我们能透过尘埃，准确测量温度。因为VLTI是非常大的干涉仪，它的分辨率甚至足以让我们看到在遥远的M77中心发生了什么。我们获得的图像详细描述了黑洞周围尘埃云的温度和吸收率变化。”莱顿大学教授、合著者沃尔特·贾菲（Walter Jaffe）说。



MATISSE仪器照片，它能将VLTI四个望远镜的光结合起来。图片来源：ESO

 

结合黑洞强烈辐射造成的尘埃温度变化（从室温到1200°C左右）和吸收图，研究小组绘制了一张详细的尘埃图片，并精准定位了黑洞的位置。尘埃环内侧较厚，还有一个广阔的圆盘结构，黑洞位于其中心，这支持了统一模型。研究团队还利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）的数据来构建它们的图像。

 

“我们的研究成果应该有助于更好地理解活动星系核的内部工作原理。”罗萨斯总结道，“它们还可以帮助我们更好地了解银河系的历史，银河系的中心同样有一个超大质量黑洞，它在过去可能也很活跃。”

 

研究人员啊正在试图用这个方法观测更多星系，找到更多支持活动星系核统一模型的证据。

 

团队成员布鲁诺·洛佩兹（Bruno Lopez）是MATISSE的首席研究员，他说：“M77是一个重要的活动星系核原型，对它的观测是扩展我们的观测计划，优化MATISSE以调查更多活动星系核的一个极好动机。”

 

ESO的特大望远镜（Extremely Large Telescope, ELT）将在十年内开始观测，它也能协助搜索，提供的结果将补充该团队的发现，并使他们能探索活动星系核和星系之间的相互作用。