M87

1781年，法國天文學家梅西爾出版了一份天體目錄，其中羅列103個看起來像星雲的天體。這份天體目錄的目的是給對尋找彗星有興趣的人蔘考用，列出最可能與彗星混淆之天體。後來使用時，目錄中每個項目編號前都加上了梅西爾的姓氏開頭字母“M”——例如，M87是這份梅西爾星體列表的第87號 ^[1]  。在1880年代，此編號為M87的星雲獲列入星雲和星團新總表成為編號NGC4486號天體。該版新總表由愛爾蘭天文學家約翰·德雷爾彙編，主要內容採用英國天文學家約翰·赫歇爾之觀測資料 ^[3]  。

1918年，美國利克天文台天文學家希伯·柯蒂斯觀測發現，M87沒有旋臂結構，並且他注意到“一束奇怪的直射線......一道由物質組成的細線明顯與核相連”。光束的明亮端出現在內側。次年，M87裏的超新星爆發達到21.5照相星等，但該次超新星事件並沒有公開報告，這個超新星爆發直到1922年俄國天文學家因洛肯齊·A·克倫諾夫斯基（Innokentii A. Balanowski）檢查當時該片照相幹板時才獲發現 ^[4-5]  。

按美國天文學家埃德温·哈伯的分類，M87屬於明亮的球狀星雲類，因為它完全沒有旋臂狀結構，但似乎與非銀河系星雲的螺旋星雲同屬一類。1926年，哈伯製作一個新的星雲分類，M87被歸類為沒有明顯伸長（E0型）的橢圓河外星雲。到1931年，哈伯確定M87為室女座星系團的成員之一，因此，他給M87暫定了一個估算距離，與地球距離是180萬秒差距。當時M87是橢圓星雲中已知可以角解析到個別恆星的例子。 ^[6]  隨後許多年，M87仍繼續獲稱為河外星雲，但到1956年，它已被確定歸類為E0型星系 ^[7]  。

1947年，發現一個明顯的電波源位置確定和M87位置重疊，這電波源稱為處女座A（Virgo-A）。1953年證實處女座A電波源就是M87，電波源發出的輻射可能是從星系核心發出的線性相對論噴流造成。噴流由星系核心260°方位角位置向外延展了20”角距離，角幅為2”。在1969年至70年間發現電波輻射中有相當強的成分分量和可見光波段的噴流發射源位置極為靠近。

1965年4月，美國海軍研究實驗室發射了一枚空蜂150觀測火箭 ^[8]  ，火箭上配備了一對蓋革計數器。在這次太空任務中，結果發現了7個可能的X射線源，包括X射線觀測史上的第一個河外X射線源；這在室女座偵測到的第一個X射線源，即命名為處女座（Virgo X-1）。後來，又於1967年7月7日從白沙導彈靶場發射的空蜂150觀測火箭，取得進一步證據顯示，室女座X-1也是電波星系M87。隨後的HEAO1和愛因斯坦衞星所執行的X射線觀測則呈現出一個複雜的射線源，其中包括M87的活躍星系核。 ^[9]  不過，中心的X射線輻射卻不明顯 ^[10]  。

此星系的核心是超大質量黑洞（SMBH），其質量按不同估計法，從（3.5±0.8）×

太陽質量，到（6.6±0.4）×

太陽質量 ^[11]  。在同類天體中，已知它是其中質量最大之一。有一電離氣體旋轉盤環繞黑洞，和相對論性噴流近乎垂直。旋轉盤的運動速度達每秒1000公里 ^[12]  ，盤面寬0.12秒差距（0.39光年）。 ^[13]  估計黑洞吸積氣體的速率約等於每10年吞下一個太陽質量（也可換算而等於每天吃下91個地球質量） ^[14]  。

觀測表示，M87黑洞可能與星系中心有大約25秒差距（82光年）的位移。 ^[15]  位移是在單側噴流的反方向，這可能表示黑洞受噴流作用而自中心向外加速運動。另一種會發生位移的可能來自兩個超大質量黑洞合併。 ^{[15]  [16]}  這些發現必須謹慎以對。因其研究尚不包括恆星和活躍星系核組成間的光譜差異。因此，有可能，星系中心和黑洞看起來的相對位置存有因對噴流本身光學閃焰誤解的因素。 2011年對M87所做分析，並未發現有任何統計上達顯著標準的位移。

室女座橢圓星系M87(3張)

像M87星系這樣歸類為活躍型橢圓星系的星系，一般認為其成因是一或多個較小星系之間的合併。 ^[17]  這類星系到現階段所剩餘之塵埃量少，不足以形成瀰漫星雲並製造新恆星，其恆星族羣的組成成員以較年老的第二星族恆星為主，主要是氫和氦，其他元素較少。外觀上的橢圓形狀由其恆星成員之隨機軌道運動維持，相形之下，在像銀河系這樣的螺旋星系中所發現的軌道運動是比較規律而非隨機 ^[18]  。

在M87星系裏的恆星際空間充斥着瀰漫星際介質氣體，是恆星演化至主序星晚期、壽命結束時所噴發富含化學元素的氣體。其碳和氮元素由演化到漸近巨星分支之中等質量恆星源源供應，氧和鐵等較重元素主要是由星系中的超新星爆炸產生，約佔60%的重元素是由超新星核心塌縮產生，其餘來自Ia型超新星爆發。因此，由這些元素的大致分佈可知，一方面，M87早期的化學丰度是由超新星核心塌縮供應的，但論丰度則遠低於銀河系，另一方面，無論M87星系的早或近期，其星際介質持續是由 Ia型超新星爆發提供 ^[19]  。

由遠紅外線波段觀測顯示M87星系在波長25微米以上波段 ^[20]  ，有過量輻射。一般而言這類輻射代表的是暖灰塵發出的熱輻射。然而，在M87，這輻射似乎完全可以用噴流同步輻射來解釋。在該星系中，因為星系核發出X射線輻射，估計硅顆粒並無法存活超過4千600萬年。 ^[21]  這類塵埃在惡劣環境下可能會被破壞，或從星系中被逐出境外。星系中塵埃總質量不超過70,000倍太陽質量，相較之下，銀河系所含塵埃量大約是一億倍（

）太陽質量。

在距核心4000秒差距（1萬3000光年）以內區域，金屬丰度約為太陽一半左右（天文學家將除了氫和氦以外的元素皆稱為金屬元素），超過這個範圍以外，金屬丰度與相對於星系核心之距離穩定呈反比，越遠丰度越低。雖然M87是歸類為橢圓星系，因此，並沒有螺旋星系的塵埃帶，但M87觀測中曾出現optical 絲狀， ^[22]  絲狀物質估計質量約1萬倍太陽質量。星系外圍環繞着向外延伸、高熱、低密度，氣體，像日冕狀。

M87裏有異常大量的球狀星團。據2006年觀測，距離星系核心25角分之區域內，估計有12,000±800個球狀星團以規律軌道環繞M87星系 ，銀河系的球狀星團則只有150-200個，差異極大。 ^[23]  這些星團的大小分佈和銀河系相似，多數有效半徑為1〜6秒差距之間。M87裏的星團大小隨着距離核心越遠而漸增。2014年首度觀測發現到的超高速球狀星團HVGC-1，就正在從M87星系逃逸出走。 ^[24]  這項發現表示，在M87核心的是兩個超大黑洞，而不是一個。這兩個超大質量黑洞是源自於很久以前的兩個星系之碰撞，結果二星系合併成單一巨大星系 ^[25]  。

M87裏的組成還包括超緻密矮星系，它與球狀星團類似，但直徑在10秒差距（33光年）以上，這比球狀星團最大不超過3秒差距（10光年）之上限大得多。還不清楚超緻密矮星系的性質，是否為M87所捕獲的矮星系，或是另一類新的巨大球狀星團。M87有數以千計的球狀星團，其中近百個是超緻密矮星系 ^[26]  。

據2006年的觀測，距離核心25′處，估計有12,000± 800個球狀星團環繞着M87 ^[27]  。與銀河系有150-200個環繞的球狀星團相比，M87有着異常大量的球狀星團成員（可能是已知有最多星團環繞的星系）。以球狀星團數量分佈推論估計在M87核心32,000秒差距範圍內的質量約是2.6 ± 0.3 ×

M☉ ^[28]  。

M87被歸類為有超大質量黑洞的星系。在2006年量測至距離核心25′處，估計有12,000± 800個球狀星團環繞着M87。與銀河系的150-200個比較，M87有着異常大量的球狀星團成員（可能是已知有最多星團環繞的星系）。

相對論性噴流，自M87核心向外延伸至少達1,500秒差距（5,000光年），組成物是一個超大質量黑洞所噴發出來的物質。此噴流呈現高度準直性，在0.8秒差距（2.6光年）看來不超過60°，在 2秒差距（6.5光年）的距離時則不超過16°，在 12秒差距（39光年）距離時不超過6-7°。 ^[29]  噴流的基底處直徑大約5.5±0.4史瓦西半徑。噴流能量可能來自一個以順向盤旋於一個自旋黑洞的盤。

關於有沒有證據顯示它的反向噴流，這部分特徵因為從地球角度看，受相對論性聚束效應影響，證據是看不到的。 ^[30-31]  因為噴流旋進，導致其外流形成螺旋狀，大約1.6秒差距（5.2光年）。從噴流朝外呈葉瓣型延展的兩片物質分佈範圍，達77,000秒差距（25萬光年）之遠。德裔美籍天文學家沃爾特巴德發現噴流輻射的光是平面偏振，表明這是由在相對論速度下的加速電子於磁場中移動所產生的能量。這些電子的總能量輸出估計為5.1×10爾格（或5.1×10焦耳或3.2×10電子伏特） ^[32]  。與之相較，整個銀河系產出能量估計約為每秒5×10焦耳。

1999年哈伯太空望遠鏡拍攝之照片，測得M87噴流運動速度達光速4~6倍。據推測，這是因噴流的相對論速度引起的錯覺，並不是真正的超光速運動。另一方面，偵測到這樣的運動也支持了一種理論所説，其實類星體、蠍虎座BL型天體和電波星系等現象，（即所謂活躍星系核），三者可能全是同一種東西，只不過在不同角度下看到不同的特徵。有學者曾提出假設，M87實際上或許可能是一個蠍虎座BL天體（其特徵是宿主星系的亮度高，星系核亮度低，對比明顯），只要由反方向角度觀測它便會得到蠍虎座BL天體的屬性 ^[33-34]  。

錢德拉X射線天文台的觀測顯示M87輻射出熱X-射線的氣體圈和環，這些圈和環是滲入星系團和環繞着 M87的氣體因壓力波而引起的。壓力波則是由超大質量黑洞噴流拋出物質的速率變化造成的。 圈的分佈指出大約每600萬年可能會發生一次小噴發，有一個環繞着黑洞，直徑85,000光年的衝擊波環是由一次主要的噴發所造成。其他被觀察到的明顯特徵還有長達10萬光年，散發出X-射線的 狹窄細絲，和在7000萬年前爆發的熱氣體中的一個巨大空洞。規律的爆發使大量氣體無法冷卻並形成 恆星，這暗示M87的演化因而受到嚴重影響，使它不能成為巨大的螺旋星系。觀測也暗示着那裏有聲波：較小的爆發所發出的聲音比中央C低56個八度音，大型爆發則產生比中央C低58-59個八度音的聲音 ^[35]  。

M87也是強烈的伽瑪射線源，伽瑪射線是電磁波頻譜中能量最高的，能量是可見光的百萬倍。1990年後期就曾觀測到M87發出伽瑪射線，到2006年使用HESS契倫可夫望遠鏡觀測已測量到來自M87的伽瑪射線呈現如潮汐般起伏變化，週期約每幾天就發生一次。因週期短，伽瑪射線源為何的矛頭因而指向了M87星系中心超大質量黑洞之鄰近區域 ^[36]  。

一般來説，輻射源直徑越小亮度變化越快。反之亦然。

噴流上有一名為HST-1的物質結，哈伯太空望遠鏡和錢德拉X射線天文台一直持續在追蹤關注，這個結距離星系核心約65秒差距（210光年），2006年時，這個HST-1結的X射線強度，曾在4年間暴增50倍 ^[37]  ，隨後呈變異式衰減 ^[38]  。

在1918年，利克天文台的天文學家希伯·柯蒂斯首度發現來自M87的物質噴流，被描述為“古怪的直線光束”。這道由黑洞造成的噴流自M87核心向外延伸至少5,000光年，事實上，精確而言，噴流的來源位置是圍繞着M87核心快速旋轉的氣體盤（吸積盤）。在1994年時，天文學家認為M87星系核心的超大質量黑洞大約30億個太陽質量(3×

M☉)。

2009年，美國天文物理學家卡爾·蓋哈特（Karl Gebhardt）與德國科學家延斯·托馬斯（Jens Thomas）在美國加州帕薩迪納的“美國天文學會”（American Astronomical Society）會議發表：位於M87星系（Messier 87 Galaxy）中心的黑洞質量是64億個太陽質量（6.4×

M☉），兩學者之發現系藉助德州大學“德州先進運算中心”，大量模擬計算恆星軌道數據庫而得。

2011年，蓋哈特等天文學家使用夏威夷毛納基峯上的雙子星天文台觀測資料，計算得知M87中心黑洞質量為66億太陽質量 ^[39]  ，這使M87中心黑洞成為當時所知的質量最大黑洞，也成為數十年內人類可望真正“看到”黑洞的頭號最佳人選。

M87中心黑洞是已知質量最大黑洞之一，因其與地球距離為5千萬光年，相對較近，也是數十年內人類可望真正看到黑洞的優良觀測對象。迄今，天文學家一直不斷努力於取得黑洞存在之直接證據，如果透過特長基線干涉法在次毫米波段相連遍佈世界三大洲許多天文望遠鏡成一巨大望遠鏡，黑洞的事件視界成像力將提升不少，藉環繞M87中心黑洞周圍的一圈明亮氣體盤為底色映襯，望遠鏡可望拍下黑洞之事件視界完全不發光的陰影（黑洞存在的直接證據）。

北京時間2019年4月10日晚9時許，包括中國在內，全球多地天文學家同步公佈了黑洞“真容”。該黑洞位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍 ^[40]  。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環。愛因斯坦廣義相對論被證明在極端條件下仍然成立。

由中國科學院上海天文台路如森研究員領銜的17個國家和地區共64家研究單位的121位科研人員組成的國際研究團隊 ^[41]  ，利用3.5毫米波段開展的新觀測，首次對M87中心黑洞陰影以及其周圍吸積落入中央黑洞的物質的環狀結構和強大的相對論性噴流一同進行了成像 ^[41]  。北京時間4月26日，這一成果發表在國際頂級學術期刊《自然》雜誌上。 ^[41]  在中國科學院上海天文台召開新聞發佈會上，論文的第一作者路如森介紹，此次觀測結果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列聯合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠鏡獲得。 ^[41]  “該圖像首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯繫”。 ^[41] 

中國科學院上海天文台提供的M87中心黑洞照片 ^[41] 

M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年，質量相當於65億個太陽。 ^[41]  “M87星系有着明亮的長達5000光年的噴流，而M87中心黑洞正是噴流的源頭。 ^[41]