作者：文/虞子期
時至今日，相信很少有人會對M87 *黑洞感到陌生，因為，有史以來人類拍攝到的首張黑洞圖片，便是這個位於M87星系中心的超大質量黑洞。倘若宇宙天體也能像我們人類社會中的明星一樣C位出道，那麼，M87 *黑洞就滿足所有條件、並已大有聲望。而在科學家們的最新研究中，這個名聲在外的黑洞所發射出的物質射流，竟然可以接近、甚至超越光速。那麼，X射線下的M87 *黑洞射流，為什麼能打破物理定律超光速運動？
來自哈勃望遠鏡的可見光，以及來自大陣列望遠鏡的射電影象
檢測M87 *黑洞噴出射流的超光速運動
距離上一次事件視界望遠鏡（Event Horizon）拍攝到M87 *黑洞影象，已過去了近9個月時間，而我們的年曆也從2019過渡到了2020年。很長時間以來，科學家們一直嘗試著在不同波長下對M87 *黑洞射流進行觀測，這其中就包括了之前在可見光、紅外光以及無線電情況下捕獲的M87 *黑洞射流影象，以及本次有異常新發現的X射線電磁波（能量大且波長極短）。
而M87 *黑洞射流此次觀測到的異常運動速度，即：該超大質量黑洞噴出射流中的大部分，竟然都以跟光速相當的速度運動著（大約99%），這也是天文科學家們第一次透過錢德拉X射線（Chandra）觀測所得到的資料結果。簡而言之，X射線電磁波記錄下了M87 *黑洞射流的極端運動速度。
錢德拉X射線捕獲到M87 *黑洞射流擁有光速值99%以上的移動速度
很多對黑洞有誤解的人都以為，黑洞會將周圍的所有物質都吸入自己的內部，但事實上卻並非如此。比如，那些圍繞著吸積盤做旋轉運動的物質，就並不會被一同被吸入黑洞之中。那些沒有被黑洞吸入的大部分物質，都會再次被輪迴到宇宙空間中。而這些遵循磁場線的射流，其實就是那些以射束、或射流形式噴出的物質。
由於這些射流的返回太空之旅也並非一帆風順，所以，才形成了科學家們觀測到的團塊狀結構。事實上，科學家們已經對這些團塊的運動跟蹤了數年時間，尤其是其中與超大質量黑洞分別相距2500光年和900光年左右的兩個團塊。而錢德拉X射線所觀測到的超光速運動便來自於此，兩個節點的移動速度分別達到了光速的6.3倍和2.4倍。但這樣的資料結果明顯是“不可能的”，因為理論上應該沒有什麼可以超越光速。
M87 *黑洞射流真的打破了物理定律？
然而，隨之而來的問題便是：按道理來說，這個世界上應該不存在比光速更快的速度。眾所周知，沒有任何物體的運動可以超越光速，這便是物理學中不可能被打破的定律之一。那麼，這就意味著M87 *黑洞射流還存在著其他複雜的問題，也就是所謂的“超光速運動”的本質是哪些原因引起的。關於超光速運動，我們可以用更簡單易懂的語言來描述它。
之所以我們會觀察到“超光速運動”，本質上是其在我們視線中的移動速度接近光速。
首先，目標物體相對於我們觀察視線的移動路徑，以及其移動的真實速度都是超光速運動的兩個重要方面。之所以我們會感覺某種物體的移動速度超越了光速，主要是由於該物質射流的傳播速度特別接近光速。雖然來自M87 *黑洞的射流幾乎對準了我們的視線，給研究人員呈現了一種不可能存在的移動速度，但本質上不過是其路徑和速度帶給我們的錯覺罷了。
當然了，在進行此項研究之前，科學家們就曾觀察到過這樣的射流移動速度，但區別就在於這一次是在X射線下觀測到的運動情況。或許很多對電磁波並不瞭解的人會認為，這一觀察結果與以往並沒有什麼不同，但事實上這很可能意味著該移動速度是衝擊波，而不是射流中團塊自身的移動速度。與此同時，從M87 *黑洞噴出的射流，在圍繞磁場運動的時候呈現出螺旋形狀，這對於解開之所以研究人員會觀察到如此快的移動速度也有所幫助。
在對M87 *黑洞射流進行觀測的過程中，研究人員發現在五年的時間裡（2012到2017年），其中移動速度達到光速6.3倍的射流，在這期間褪色程度達到了70%（X射線），並且，這一特殊變化並沒有發生在紫外線和光學這兩個方面。這說明了這些粒子失去能量的過程，應該就緩慢地發生在磁場旋轉的運動過程之中，科學家們將這一過程稱為加速器冷卻。
簡單來說，這足以印證科學家們在不同時間裡觀測到的X射線源自於相同的粒子，而那些超光速移動的物體就是射流本身的物質。毋庸置疑，透過這長達數年的一系列研究，我們瞭解到M87 *黑洞噴出的射流，的確在以接近速度極限（光速）的速度移動。雖然其真實的移動速度並沒有達到資料顯示的光速的6.3倍，但真實移動情況也相當於光速的99%左右。
關於M87 *黑洞與它所在的星系Messier 87
M87 *黑洞所在的星系名叫處女座A，很多時候我們也將這個超大橢圓星系稱為M87（Messier 87 ）或NGC4486。為了讓大家對這個星系有比較具象的瞭解，不妨將其與我們更為熟悉的銀河系進行對比。與我們相距5300萬光年的M87到底有多大？跨越24萬光年的它比我們的銀河系還要長一點。
並且，我們的銀河系周圍只存在著大約200個球狀星團，而M87星系的周邊卻擁有多達1.2萬個球狀星團。簡而言之，M87這個星系中所擁有的恆星和整體質量，遠比我們的銀河系多得多、且大得多。再加上該星系中同時還包含了大量的球狀星團，所以導致其散發出耀眼的光芒（絕對值-22左右）。
視覺亮度8.6mag 的E1型橢圓銀河Messier 87 在處女座星座中的位置
很多時候，我們也將超大質量黑洞稱為SMBH，而M87 *黑洞就位於該星系的中心位置。M87 *黑洞算得上是已知星系中質量較大的黑洞，相當於我們太陽質量的64倍、太陽體積的680萬倍左右，而其噴射出的物質射流甚至可以向太空延伸5000光年左右。
事實上，包括位於我們銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*，其大小也不過是M87中心超大質量黑洞M87 *的千分之一左右。大部分研究人員認為，M87 *黑洞之所以可以擁有如此巨大的質量和體積，主要是透過數百個較小的黑洞融合形成，而非簡單的單個黑洞吞噬周圍物質就可以做到。
M87 *黑洞噴出的射流長達五千光年，位於影象周圍的點是球狀星團。
錢德拉的M87 *黑洞觀測資料與EHT互補
從第一張黑洞照片公佈開始，我們就知道了EHT指的是事件視界望遠鏡，而它所拍攝的黑洞特寫鏡頭正是M87 *黑洞。雖然事件視界的黑洞影象要比錢德拉捕獲的影象小一億倍左右，但這兩個觀測結果起到了很好的互補效果。
錢德拉X射線的觀測物件主要針對的是時間達到數百年、乃至數千年的黑洞噴出物質，而事件視界望遠鏡則是對該黑洞視界環的6天時間進行成像。眾所周知，宇宙中的所有存在體都有其既定的生命週期和演化階段，相信所有人都關注地球、太陽系、乃至銀河系的未來。
由八臺地面射電望遠鏡構成的EHT所拍攝的M87 *黑洞及其陰影
所以，歷代科學家們都將很大一部分精力用在瞭解恆星、行星，甚至宇宙起源相關的問題上。而黑洞又是所有大質量星系所共有的組成部分，包括我們的銀河系也是如此。由於黑洞本身的特性，導致了整個星系中的物質形成都與其存在關聯，而星系的演化就這樣被超大質量黑洞隱形地推動著。
我們之所以如此關注M87 *黑洞，自然是因為許多星系中的黑洞都與其存在不少的相似之處。比如，透過對M87 *黑洞的觀測，科學家們瞭解到超大質量黑洞在星系中的位置並不是固定不變的，而這樣的移動現象被視為黑洞合併模型的重要標誌。簡而言之，我們可以利用對其他宇宙存在體的研究，對我們自己所在的世界有更多瞭解，包括已經成為歷史的生命過程，以及未來可能會經歷的演化階段。