前几天，讲了一些和本星系群有关的天文发现和科学探索，今天继续往上看。我们可以类比人类社会打个比方，地球就是咱家、太阳系就是所在街道、银河系是县、本星系群是市，比市再大一级的是省，这个省在宇宙中是什么呢？答案就是室女座超星系团，它还有个名字叫本超星系团。直径约为1.1亿光年、总质量约为太阳质量的1016倍，就是1亿亿倍。简单做个对比就能对这两数有更直观的了解，银河系的直径约为10万光年、总质量约为太阳质量的1万亿倍，也就是说和室女座超星系团相比，银河系的直径是它的1/1000，质量是它的1/10000。再看更大的本星系群，它的直径大约是1000万光年，质量约为太阳质量的6.5万亿倍，相比于室女座超星系团，本星系群的直径是1/10，质量是1/1500。
这么看的话，本星系群虽然很大，但是放到室女座超星系团里也是毫不起眼，目前的观测表明在室女座超星系团中，有100多个星系群或是星系团，所谓的星系群，通常是指星系数量少于50的星系集团，比如说本星系群，如果星系数量更多，那就属于星系团。而在这100多个成员中，大部分都属于星系群，内部只有几十个星系，属于普通的地级市，至于省会城市，当属室女座星系团，位于室女座超星系团的中心区域，距离地球6000多万光年，大概拥有2500个星系。整体上看，室女座超星系团的主体结构有点像是一个椭圆形的盘子，超过2/3的星系都分布在这个盘子上，而剩下的将近1/3的星系，则是分布在一个更大的球形区域内。这就是室女座超星系团的基本情况，总而言之非常大，还是老话，我们不可能面面俱到，就算一期讲一个星系，讲到96岁估计也讲不完，这就叫吾生也有涯而知也无涯，以有涯随无涯，累死我得了。所以今天我们就挑一些著名的景点，也就是和室女座超星系团相关的天文发现和科学探索。
室女座星系团
室女座超星系团
因为室女座超星系团含有众多星系类型，所以首先我们就要讲一讲星系的分类，这个话题在早些年间当然也讲过，但是炒冷饭也分情况，本星系群那期节目中，100%也全是冷饭，但我不是把冷饭拿过来简单热一下，而是对旧的食材进行新的组合，这么一搞，往往就有不同的味道和感受，这就好比是肯德基麦当劳，十几二十年它有什么拿得出手的新品？不过是不断地变换套餐，每变一次，你就得掏钱，这就是水平。做节目也是如此，单摆浮搁地讲解若干知识点这算不得什么，可要是把这些知识点通过一期节目给串联起来，那就是融会贯通不知道高到哪里去了。好了言归正传，要问星系拢共分几种，那就要提到美国天文学家哈勃。上期节目已经介绍过，一直以来人类都认为仙女星系是位于银河系内部，当时称作仙女星云。但是在1923年，哈勃在仙女星云中发现了两颗造父变星，通过测量哈勃发现，所谓的仙女星云距离地球至少100万光年，由此人类终于意识到，原来银河系并非宇宙的全部，它只是浩瀚大海中的一座孤岛，实际上整个宇宙遍布星系。
因为这个划时代的发现，后人就把哈勃称为星系天文学之父。但是当了爸爸以后，哈勃马上就开始思考新问题了，就是天上的星系都有哪些类型呢？经过几年的探索之后，在1926年这个伟大的年份，哈勃发表了一篇论文，在论文中，他给出了自己的星系分类标准，这就是所谓的哈勃序列，哈勃还把这些星系画在一张图上，因为看上去就像一个音叉，所以这张图就被称为哈勃音叉或是星系音叉。现在我们就看图说话。可以发现，哈勃是把星系分成了三种类型，第一类星系是位于左侧的椭圆星系，用英文字母E表示，椭圆星系的形状就像是一个橄榄球，中间亮边缘暗，而且没有明显的自转。而在众多的椭圆星系中，哈勃又把它们分成了八个子类，编号从E0到E7，E0就是最圆的，E7就是最扁的。
哈勃序列
哈勃序列-椭圆星系
椭圆星系M86
第二类星系位于音叉图的右上部分，这是漩涡星系，用英文字母S表示，漩涡星系的特点是存在好几条旋臂，也就是恒星比较密集的区域，这些旋臂就像风车的叶片一样，在一个平面上绕着星系中心旋转。另外在星系中心，还存在着一个恒星密度极高的球形区域。哈勃把旋涡星系分成了三个子类——Sa、Sb和Sc，分类的依据是旋臂缠绕的紧密程度，Sa是缠绕最紧密的，Sc就是缠绕最不紧密的。第三类星系位于音叉图的右下部分，叫做棒旋星系，用两个都是大写的SB表示。和漩涡星系一样，棒旋星系也有好几条旋臂，像风车一样绕星系中心旋转。但是和漩涡星系明显不同，棒旋星系的中心并不是球形，而是一个棒状的结构。棒旋星系也被分成三个子类——SBa、SBb和Sbc，分类的依据同样是旋臂缠绕的紧密程度，缠绕最紧的是SBa，缠绕最不紧的就是SBc。
哈勃序列-漩涡星系
漩涡星系仙女星系
哈勃序列-棒旋星系
棒旋星系M58
其实整体上看，漩涡星系和棒旋星系还是非常相似的，所以这两个星系合起来也被统称为螺旋星系。银河系肯定是属于螺旋星系，这一点已经确定了，那它到底是漩涡星系还是棒旋星系？其实这个问题到现在也没有搞清楚，有人说是漩涡星系中的Sb，有人说是棒旋星系中的SBb，就是说小b基本确定了，但是星系中心到底是球状还是棒状，到现在也没有完全搞清楚，这就叫不识庐山真面目，只缘身在此山中。等到有一天，人类可以把航天器发射到银河系以外，届时答案就会揭晓，当然我们肯定是等不到那一天了，等我死了，我就给后代立个遗嘱：银河形状确定日，家祭无忘告乃翁。
银河系目前被认为是棒旋星系
除了螺旋星系和椭圆星系，最后还有一类星系非常诡异，它们的形状千奇百怪，完全不具备任何对称性，有些星系甚至发生了严重的扭曲变形，哈勃把这种星系称为不规则星系，用英文字母Irr表示。不规则星系也分两种，一个是Irr I型，特点是星系内部存在恒星聚集的集团，另一个是Irr II型，星系非常平滑，没有明显的恒星集团。除了以上这些，当时哈勃还做了一个预言，他认为有一种星系会介于椭圆星系和螺旋星系之间，这种星系要比E7类型的椭圆星系更扁，扁到和螺旋星系差不了多少了，也就是说它和螺旋星系一样，有着延伸的星系盘，但是这个星系盘并不存在螺旋结构。如果我们正对着这种星系，其实很难把它和E0椭圆星系区分开来，但如果换个角度从侧面去看，那么它就会和螺旋星系一样，明显是扁的，看上去像是一个透镜，所以这种星系就被称为透镜星系，用S0表示。哈勃本人并没有观测到透镜星系，不过后来美国天文学家艾伦·桑德奇通过观测证实了哈勃的猜想，S0透镜星系就这样正式加入到了哈勃序列中。
不规则星系M82
透镜星系NGC 5866
今天看来，哈勃对星系的分类，无疑是一项伟大且具有开创性的工作，为人类认识宇宙作出了巨大的贡献，星系天文学之父，哈勃当之无愧。但其实在最开始的时候，哈勃音叉图是饱受质疑，很多人都认为哈勃的分类只是基于个人的观测，但是观测毕竟是有限的，而且是极其有限的，没有理论上的支持，这显然不够严谨，哈勃的分类会不会有巨大的遗漏呢？当然有人反对也有人支持，问题就是支持的人该怎么去支持呢？办法很简单，就是找到不同星系之间的关联，就是说星系也和生物一样，存在着一条演化的路径，根据这条路径，星系就会演化出这些类型，不会存在其他类型，而剩下要讨论的，只是哈勃的分类是否足够精确。而在众多的支持者中，有一个人给了哈勃极大的帮助，此人就是英国天文学家詹姆斯·金斯。金斯认为，椭圆星系是星系演化的早期阶段，螺旋星系是星系演化中晚期阶段，而不规则星系就是星系演化的最终形态。
詹姆斯·金斯
金斯给出了这样一条星系演化的路径：在星系形成之初，大量的气体呈球状分布，这就是E0的状态，而随着时间的推移，这些气体会逐渐落入到星系中心的平面，让整个星系变得越来越扁，相应的，星系的形状也从E0向E7的方向演化。然后下一步，椭圆星系就过渡到了螺旋星系，在这个过程中，星系演化又出现了分叉，分成了漩涡星系和棒旋星系。在螺旋星系形成之初，星系中的旋臂是紧紧缠绕着星系中心，所以就呈现出Sa或是SBa的形状，此后旋臂逐渐展开，这就变成了Sc或是SBc的形状。最后星系结构逐渐溃散，由此就变成不规则星系。可以发现，金斯的理论非常漂亮而且简洁，它不仅区分了星系的种类，还描述了星系的一生，根据这一理论，星系就是按照哈勃的音叉图从左至右演化，这样一来，哈勃音叉图立刻大放异彩，很快就成为了天文学界的主流理论。
但是很遗憾，金斯这个看似完美的理论，实际上是错误的，推翻它的是美籍德裔天文学家沃尔特·巴德。1930年，美籍印度裔物理学家钱德拉塞卡计算得出，白矮星的最高质量是太阳质量的1.44倍，这就意味着，小于1.44倍太阳质量的恒星，在其末年，会在引力坍缩的作用下成为一颗白矮星，太阳的命运就是如此，而1.44倍太阳质量就是所谓的钱德拉塞卡极限。钱德拉塞卡同时还预言，超过这一质量的恒星，会在引力的作用下一直坍缩下去直到成为黑洞。1932年，英国物理学家查德威克发现了中子，也是在同一年，苏联物理学家朗道提出，如果恒星质量超过钱德拉塞卡极限，它并不会无止境地坍缩下去，因为电子会被压进氦原子核中，质子和电子将结合在一起成为中子，中子星的概念就这样被提了出来。两年之后的1934年，巴德在《物理评论》上发表文章，他指出恒星坍缩成中子星将伴随着超新星爆发。也就是说，超新星爆发可以将一颗普通的恒星转变为中子星，而且这个过程会加速粒子，产生宇宙射线。
沃尔特·巴德
巴德的理论在今天已经被证实，但在上世纪30年代，他的想法还是太超前了，所以并没有获得天文学界的重视，巴德还是默默无闻。又过了几年二战爆发，作为一名德国移民，巴德的日子变得非常艰难，因为二战期间，美国当局把所有的德国侨民都视作潜在的间谍，爱因斯坦尚且不能幸免，更何况是名不见经传的巴德，哪怕珍珠港事件爆发之后，美国正式宣布参战，而且大规模地征召科学家入伍，巴德还是没能摆脱被排挤的命运，而是独自留守在威尔逊山天文台，当年正是在这里，通过大量的观测，哈勃提出了星系分类标准，也是在这里他发现了宇宙膨胀的事实。可还是老话，一个人的命运自己是不能够预料的，虽然被排除在美国主流科学界之外，但也正是在此期间，巴德积累了大量的恒星观测数据，他就发现宇宙中的恒星可以明显地分成两大类。
威尔逊山天文台
第一类恒星都富含重元素，也就是比氦元素更重的元素，巴德将其称为第一星族，太阳就属于第一星族。第二类恒星重元素含量非常少，除了氢和氦之外，其他的元素微乎其微，巴德将其称为第二星族。就这样在1944年，巴德就提出了一个全新的天文学概念——星族。那么问题就来了，为什么会存在这两种截然不同的恒星类型呢？唯一的解释就是，第一星族的恒星形成得比较晚，就是说它们比较年轻，因为宇宙中的重元素主要源自恒星的死亡过程，比如说超新星爆发或是白矮星、中子星、黑洞这一类天体的并合，也就是所谓的致密星并合。这就告诉我们第一星族恒星的诞生，是发生在上一代恒星死亡之后。那么相对的，第二星族恒星因为含有的重元素非常少，这就说明它们比较年老，形成于重元素还非常少的宇宙早期。进一步的巴德发现，绝大多数的椭圆星系，主体成员都是第二星族恒星，而绝大多数的螺旋星系则恰恰相反，主体成员都是第一星族恒星。
银河系恒星分布：蓝色区域代表第一星族、黄色区域代表第二星族
这就意味着椭圆星系形成于宇宙早期，螺旋星系的形成要晚于椭圆星系，那我们再看金斯的理论，金斯认为螺旋星系是由椭圆星系演化而来，从时间线上看，椭圆星系更老，螺旋星系更年轻，这似乎没有问题。但为什么星系形状变化了，其中恒星的年龄会变小？谁道人生无再少，门前流水尚能西，星系还能返老还童？很显然，这解释不通。真实情况是，螺旋星系才是星系演化的早期阶段，而椭圆星系则是晚期阶段，就是说那些年龄比较大的椭圆星系，其实当年是由年龄更大的螺旋星系演化而来。至于现在存在的螺旋星系，它们则是刚诞生不久，由富含重元素的新生恒星所组成，有朝一日也会演变为椭圆星系，当然到那个时候，新的椭圆星系中就将是第一星族恒星占主导了。
虽然金斯把顺序完全搞反了，但是他的基本思路还是没有问题的，就是螺旋星系和椭圆星系存在一条演化的路径，但演化的方式，并不是他所认为的单个星系的个体行为，现在天文学界普遍相信，促成螺旋星系向椭圆星系演化的核心力量，是星系的碰撞与并合。比如说银河系和仙女星系，作为两个螺旋星系，它们将在40亿到50亿年后相遇，最终并合产生一个全新的椭圆星系，即银河仙女星系。
那么不规则星系又是怎么来的？这还要分为两种情况，第一种不规则星系起源于大星系对小星系的掠夺，就是说当小星系过于靠近大星系的时候，小星系的外围物质就会被大星系的潮汐力剥离，于是小星系的形状就会受到整体的扭曲，最典型的就是大、小麦哲伦星云。第二种不规则星系则是星系并合的中间产物，如果两个星系旗鼓相当，那么在并合的初期，它们会反复地互相穿越，在这一过程中，两个星系外围的大量物质都会被对方的潮汐力剥离，导致它们的原本结构土崩瓦解。这个时候，如果远处存在一个观察者，那么在他眼中两个星系已经融为一体，但是由于并合过程还没有完成，所以并合星系看起来就是千奇百怪，毫无规律可言。哈勃望远镜就曾在距离地球5.5亿光年处，发现了这样一个不规则星系，编号为EOS 77-14，确实堪称宇宙奇景。而未来的银河仙女星系在并合完成之前，也会有一段时间呈现为不规则星系的状态。
大麦哲伦星云
EOS 77-14不规则星系
以上就是星系大致的分类，接下来我们就简单了解一下室女座超星系团，首先当然就是它的中心区域室女座星系团。我们知道，本星系群存在两个中心区域——以银河系为中心的银河系次群和以仙女星系为中心的仙女星系次群。室女座星系团也有中心区域，而且是四个中心区域，这些区域的核心分别是M87、M86、M89和M49星系。不同于银河系和仙女星系，这四个星系都是巨大的椭圆星系，而在这其中名气最大的当属M87，距离地球5700万光年。曾经有一部韩剧《来自星星的你》，男主角都敏俊的设定是一个400年前到达地球的外星人，他来自于一颗名叫KMT184.05的行星，这颗行星就位于M87星系内部，当然这个KMT184.05其实并不真实存在，它是编剧虚构出来的。还有《神秘博士第二季》，也把故事的背景设在了M87星系的一个新地球上。
M87星系
M87星系是一个非常巨大的椭圆星系，属于椭圆星系中的超巨椭圆星系，其中包括几万亿颗恒星和1.5万个球状星团，作为对比，银河系只包含4000亿颗恒星和150个球状星团，二者确实不是一个量级。当然大并不是M87最显著的特点，毕竟宇宙无垠，大星系比比皆是。对于我们来讲，M87星系最抓人的地方，是它有一条极为壮观的星系喷流，就好似黑暗的宇宙空间中的一盏探照灯。1918年，美国天文学家希伯·柯蒂斯发现，从M87星系中延伸出了一条奇怪的直线，而且这条直线直通M87星系的星系核，这就是M87星系的星际喷流。后来人们对其进行了持续的观测，观测表明这条星际喷流的长度，至少达到了5000光年，堪比银河系的半径。另外它还有两大特征，一是速度接近光速，二是轨迹呈绝对直线，喷流中的物质和能量几乎不会扩散到这条直线以外。
M87星际喷流
柯蒂斯
那么这样一个宇宙奇观到底是怎么出现的？最后经过几十年的努力，天文学家终于揭开了M87星系星际喷流的神秘面纱。简单说要想产生这条喷流，要有三个必不可少的前提条件。第一个条件是，在M87星系的中心，必须有一个超大质量黑洞。这个条件还是很容易满足的，根据目前的天文观测，天文学家普遍相信，宇宙中每个星系的中心都会存在黑洞，质量超过太阳质量100万倍的就属于超大质量黑洞，这也并不罕见，比如说在本星系群中，除了银河系和仙女星系之外，M32星系的中心也存在一个超大质量黑洞，三个黑洞的质量分别高达太阳质量的400万倍、1.4亿倍和250万倍。但是它们和M87星系中心黑洞相比，那就弱爆了，后者的质量达到了太阳质量的65亿倍。
第二个条件是，M87星系中心黑洞必须要在近期捕获大量的物质，进而产生一个吸积盘。天文观测表明，其实绝大多数星系中心的超大质量黑洞，目前都处于平静期，银河系中心黑洞就是如此。之所以平静，是因为超大质量黑洞周围的物质，早已被它吞噬殆尽，一旦没有更多的物质输入，黑洞就只好被迫冬眠。要想把它唤醒也非常简单，如果有恒星或是气体从它周围路过，超大质量黑洞就会重新进入活动期，变成所谓的活动星系核。不过这些被黑洞捕获的物质并不会直接掉入黑洞，比如说恒星，在被黑洞的潮汐力瓦解之后，恒星物质先是逐渐汇聚到一个非常扁平、好像海底漩涡的大圆盘上，然后一边旋转一边落向中心黑洞。这个环绕在黑洞周围、漩涡一样的圆盘就是黑洞的吸积盘。最后黑洞会吞噬掉整个吸积盘，再一次进入冬眠期，等待下一个前来送死的。
黑洞吸积盘
第三个条件是M87中心黑洞必须处在很强的磁场中。这个条件也不难满足，目前的天文观测表明，磁场在宇宙中是无处不在的，不过在通常情况下，宇宙磁场的强度都是非常弱的，但是黑洞的吸积盘可以显著地放大磁场。因为微弱磁场的存在会让吸积盘变得不稳定，导致吸积盘产生湍流，但是反过来，湍流的存在又可以放大磁场。这个过程有点像是发电机，我们知道发电机的工作原理是电磁转换，比如说水力发电，大坝一开闸，水流带动轮机疯狂地高速旋转，轮机本身就是一块大磁铁，于是通过磁场的中介，水的重力势能就转化成了强大的电流。那么轮机的磁性是从哪来的？正是利用微弱的电流产生的，这是由电到磁再到电的转化过程，至于黑洞的吸积盘，原理也是一样的，只不过它是由磁到电再到磁的转化过程。三个条件具备之后，我们就可以还原喷流的产生机制。
简单说在黑洞吸积的过程中，气体在落入黑洞的一刹那，由于摩擦和压缩等一系列作用，会产生复杂的物理和化学反应，甚至会引发聚变反应，这样一来，物质中的质子、中子和电子就会被加速，从而挣脱黑洞引力的束缚，沿着黑洞自转轴的方向猛烈喷射出去。与此同时，物质中的部分质量也会转换成能量，这些能量以电磁波的形式，同样挣脱黑洞引力的束缚，朝着黑洞自转轴的方向猛烈喷射出去，这就形成了黑洞喷流。因为黑洞吸积是一个十分漫长的过程，所以不同于伽马射线暴和超新星爆发这些短暂的天文现象，黑洞喷流会长时间存在。另外因为磁场的强力束缚，所以黑洞喷流就呈现出准直性。其实自从M87中心黑洞的喷流被发现之后，在很长一段时间中，它都是M87星系、以至于室女座星系团、以至于室女座超星系团中，最著名的天文景观，但是100年后的2019年，它正式退位了。那么还有什么东西比黑洞喷流还要震撼，那只有黑洞本身了。
黑洞喷流
2019年4月10日，人类历史上的第一张黑洞照片诞生了，主角正是M87星系中心黑洞。人类天文学蓬勃发展几百年，为什么直到2019年，才首次看清黑洞的真面目？第一个原因就是黑洞本身不发光，这里的光不只是可见光，也包括所有频段电磁波。虽然霍金通过量子效应预言了黑洞辐射，但这毕竟还是一个假说。所以我们观测黑洞，只能是间接观测，也就是通过吸积盘寻找黑洞。但是黑洞的距离都太过遥远，银河系中心黑洞与地球的距离尚且高达26000光年，其他星系黑洞的距离更是不知道远到哪里去了。在这样的距离下，黑洞本身就显得非常小了，在吸积盘强烈辐射的遮蔽下，实际上我们什么也看不到，它的外在表现就是一个光点，以至于大部分情况下，我们很难搞清楚这个光点到底是什么，只能推测它应该是个黑洞。因为又远又小，所以到目前为止，我们也只见识过两个黑洞的真面目，一个是M87中心黑洞，另一个就是银心黑洞，前者是个头足够大，后者是距离足够近，但即便如此，观测到这两个黑洞也是非常困难的，因为从地球看过去，它们的角直径也只有几十微角秒。微角秒是一个非常小的角度单位，1度已经很小了，1角秒则是1度的1/3600，而1微角秒更是只有1角秒的一百万分之一，就是说1微角秒等于1度的36亿分之一。相当于从地球上观测月球上的一颗樱桃，其中难度可想而知。
M87中心黑洞
银心黑洞
既然这么小，那又是怎么看到的？这就要提到一项不知道高到哪里去的天文观测技术：甚长基线干涉技术。我们知道通常来讲，一架望远镜的口径越大，观测能力就越强，但问题是口径再大能大到哪里去？你还能不知道大到哪里去么？这是不可能的，因为工业生产能力是有限的，但是计算机技术的发展，赋予了口径更大的可能。原理非常简单，就是制作多台小型的射电望远镜，然后分散放在世界各地，这些小望远镜会在同一时刻对同一个天体所发射的无线电波进行观测，然后把所有的数据汇总，拿到数据中心进行处理。这样一来最后的观测结果，就等于是把所有的小型射电望远镜组合成了一个大型射电望远镜，而这个大型望远镜的有效口径，就等于离得最远的两台小型望远镜之间的间距。也就是说，一些口径只有几十米的小型射电望远镜，利用甚长基线干涉技术，就可以组合成一个口径达到了几百上千千米的大型射电望远镜。
口径最大能有多大呢？理论上当然是无限的，但考虑到成本和现实，目前口径的上限就是地球的直径。于是研究团队就搞了8台射电望远镜，分别放置在北美、中美、南美、南极、欧洲和太平洋等不同地方，由此就组成了事件视界望远镜，有效观测口径达到了地球直径。事件视界望远镜的角分辨率约为25微角秒，这个数字已经小于M87中心黑洞和银心黑洞的角直径，所以观测到这两个黑洞也只是时间问题。但是除此以外的其他所有已知黑洞，它们的角直径都要远远小于25微角秒，所以这些黑洞的真面目还不得而知。
事件视界望远镜
2017年4月5日、6日、10日和11日四个晚上，事件视界望远镜对M87中心黑洞和银心黑洞进行了持续的观测，并获得了关于这两个黑洞海量的观测数据。海量到什么程度呢？数据太大了，网络传输根本续不动，所以只好派专人坐飞机，把装有数据的硬盘送到两个数据中心进行分析和处理。最后数据处理工作持续了整整两年，2019年4月10日，事件视界望远镜项目组在《天体物理学杂志》一口气发表了六篇论文，论文介绍了事件视界望远镜的工作原理，介绍了数据获取的方式，介绍了观测目标等等，而在最重要的一篇论文中，他们公布了M87中心黑洞的照片，这就是人类历史上的首张黑洞照片。不过我还是要强调，所谓的黑洞照片，拍摄的并不是黑洞本身，而是黑洞周围的光球。刚才讲到，吸积盘会以极高的速度绕着黑洞旋转，在这一过程中，吸积盘上的气体会被加热到几百万摄氏度，并对外释放大量的电磁波，其中就包括可以被事件视界望远镜探测到的无线电波。这些电磁波的一部分会跑到远处，一部分被黑洞吞噬，还有一部分则会汇聚到黑洞周围，这就是我们所看到的黑洞光球。所以事实上，我们看到的黑洞既不是黑洞本身，也不是黑洞的吸积盘，而是黑洞和吸积盘共同作用所形成的黑洞光球。
黑洞光球
那么问题就来了，光子为什么会在黑洞周围形成这样一个光球？这就要提到一个概念：光子稳定轨道。打个比方，太阳系有八大行星，每个行星都在一个稳定的轨道上绕太阳公转，这些行星的稳定轨道有一个最重要的特征，就是轨道半径越小，行星公转速度就越快，轨道半径越大，行星公转速度就越慢，比如说水星的公转速度为每秒47.89千米，地球的公转速度是每秒35.03千米，而海王星的公转速度只有每秒5.43千米。那么反过来看，如果行星的运动速度增大了，它相应的轨道半径就必须减小。
现在我们做一个思想实验，想象黑洞周围有一个物体绕其旋转，在黑洞引力的作用下，它的运动速度在不断地增加。而随着速度的增加，它的稳定轨道半径就必须不断减小。不过这个半径不会无限地减小下去，因为物体的速度存在一个上限，这就是光速，这个时候这个物体就会稳定在一个半径极小的稳定轨道上，而这个半径极小、让达到光速的物体也可以稳定绕转的轨道，就是所谓的光子稳定轨道。
根据理论计算，黑洞的光子稳定轨道应该是在黑洞的事件视界之外，进入事件视界之内，就再也别想跑了，但是处于光子稳定轨道，还是存在逃跑的可能，否则我们又怎么观测到呢？所以不要把事件视界和光子稳定轨道混淆了。黑洞有很多类型，按照是否自转和是否携带电荷可以分成四种，不自转也不带电荷的就是最简单的史瓦西黑洞，自转但是不带电荷的叫做赖斯内尔-诺德斯特洛姆黑洞，带电荷但是不自转的黑洞是克尔黑洞，既自转也带电荷的黑洞是克尔-纽曼黑洞。不同的黑洞有着不同的光子稳定半径，对于最简单的史瓦西黑洞来讲，它的光子稳定轨道的半径为事件视界半径的1.5倍。
光子稳定轨道
总而言之，在黑洞周围存在着一个特殊的球面，这个球面就是光子稳定轨道，吸积盘释放的光子以光速绕黑洞旋转，这就形成了一个光球，一个可以被我们观测到的光球。但是你发现没有，这里还有一个大问题，什么是光球，太阳就是一个典型的光球，既然它是个球，那么呈现在我们眼中的，就应该是一个圆盘。黑洞同样是由光球包围，那么我们看到的为什么会是一个中间存在大片黑暗区域的环形结构呢？原因就是此光球非彼光球。太阳这颗光球所发出的光，是呈球形向外扩散，就是说太阳朝向我们这一面发出的光，全都可以到达地球，所以我们看到的就是一个完整的圆盘。
但是黑洞光球完全不一样，在黑洞强大引力的束缚下，光子被牢牢限制在光球表面运动，当然它也有可能离开光球，彻底逃离黑洞，但是光子离开光球的方向，不会垂直于光球往上蹦，也不会以任何角度斜着蹦，它一定是沿着光球的切线方向向外逃逸。我们可以假设一下，假设黑洞光球存在南北极，现在你就正好位于黑洞光球的南极方向或是北极方向，那么从这个光球上哪些区域逃出来的光，最后能到达地球？答案是只有从光球赤道上逃出来的光才能到达地球。所以我们在地球上看到的，就只能是这个位于赤道上的光环了。
随着黑洞照片的问世，黑洞这个曾经存在于理论中的天体，终于被观测彻底证实，于是黑洞研究领域的三位科学家——提出奇点定理的罗杰·彭罗斯，以及发现银心黑洞的另外两位天文学家，获得了2020年的诺贝尔物理学奖。好了关于M87星系的核心区域就讲完了，接下来我们再看一下M87星系本身，前面讲到，M87星系非常巨大，拥有几万亿颗恒星以及15000个球状星团，那么M87星系为什么会变成这样一个庞然大物？答案也不新鲜，就是源自星系的碰撞与合并。但问题是，这是一个极其漫长的历史进程，从碰撞到并合整个过程，动辄就是十几亿年，所以只靠观测，我们是不可能完整地了解星系并合过程中的形态演化，也不知道它们最终会呈现什么结果。但事实证明即便如此，我们还是了解到了，那么聪明的人类是怎么做到了超越时间？这段故事非常精彩。
2020年诺贝尔物理学奖
早在1845年，人类就首次观测到了星系的碰撞与并合，当时有一个爱尔兰贵族，名叫威廉·帕森斯，他用自己家的望远镜观测到一个奇怪的天体，然后还画了一张手绘图。图上清晰地展现出，该天体好像是伸出一条手臂，连接了与它相伴的另一个小天体。当然那个时代的人类还完全没有星系的概念，于是这个奇怪的天体就被称为M51星云，认为其处在银河系内部。此后数十年间，随着天文观测手段的不断进步，越来越多的类似M51的天体被发现。上世纪20年代哈勃证实，银河系并非宇宙的全部，于是M51星云就升级为M51星系，后来人类进一步意识到，M51奇怪的形态其实正是两个星系的碰撞与并合。这里插个题外话，哈勃望远镜升空之后，我们终于获得了M51星系清晰的照片，确实令人惊叹，真实的照片和帕森斯的手绘图不能说是高度相似，简直就是一模一样。
威廉·帕森斯
帕森斯的手绘图
M51星系
总之早在100年前，人类就发现了星系的碰撞与并合，但是这个过程具体是怎样进行的，天文学家就一筹莫展了。因为星系的世界由牛顿力学统治，牛顿力学主要研究的，是在引力的作用下物体应该如何运动。而在这其中最简单的就是两体问题，也就是两个物体在引力的作用下如何运动的问题，两体问题非常简单，早就得到了彻底的解决。但是随着物体数量的增加，问题的难度就急剧增大，比如说三体问题就非常复杂难解，因为它存在着太多的数值敏感区，稍微一变动就会导致混沌效应，所以直到今天，三体问题依然无解，所能做的只是模拟它的变化历程。至于说星系的碰撞与并合，这就不是三体问题了，而是N体问题，哪怕是最小的矮星系，几百万颗恒星也是不在话下，你这让人怎么去计算去模拟？那计算量是不知道大到哪里去了，如果没有计算机的帮助，这就是不可能完成的任务。所以我们一般会认为，关于星系碰撞与并合的历程，是在计算机出现之后才得以了解，但事实并非如此，有一个奇人就在没有计算机的情况下，成功模拟出了两个星系发生碰撞与并合的景象，此人就是瑞典天文学家埃里克·霍姆伯格。
霍姆伯格
他是怎么做到的？答案是用灯泡。1940年，在一个黑暗的谷仓里，霍姆伯格安装了74个电灯泡，他把这些灯泡分成两组，每一组都有37个灯泡，两组灯泡代表两个星系，每一个灯泡就代表一颗恒星。另外，霍姆伯格还给不同的灯泡通上了不同的电压，让它们呈现出不同的亮度，越靠近中心，灯泡就越亮，越靠近边缘，灯泡就越暗，这就很好地模拟出了星系中恒星的密度分布情况。我们知道，亮度与距离的平方成反比，巧合的是，引力也与距离的平方成反比，也就是说通过灯泡，霍姆伯格可以利用非常简单的光强测量，去代替极为复杂的引力计算。当时做实验的时候，霍姆伯格先是让两组灯泡整体地向对方运动，然后他根据每个灯泡接收到的总光强，来推算每个灯泡所受到的总引力，进而确定每个灯泡下一步应该被挪到哪里，虽然实际操作起来还是有些麻烦，但也要比引力计算方便太多。就这样霍姆伯格模拟出了每颗恒星未来的运动轨迹，进而模拟出星系并合过程中的形态演化。这就是历史上第一个天体系统动力学演化模型。
1941年，霍姆伯格发表了一篇论文，公布了星系并合的模拟结果，他的结论是，两个星系会在彼此穿越的过程中越靠越近，最终合二为一，另外在已经并合的星系边缘，还会出现被潮汐力剥离出来的星流。当时在论文中，霍姆伯格还画了一张星系并合的示意图，后来人们拍摄到了NGC 2207和IC 2163两个正在并合的星系，从照片可以发现，霍姆伯格的手绘图与NGC 2207的并合高度相似，这也证实了他所做的实验的正确性。四年之后的1945年，人类历史上的第一台计算机ENIAC诞生了，而随着计算机的问世与性能的不断提升，模拟星系的碰撞与并合，也由此成为了热门领域。
霍姆伯格的星系并合形态演化图
NGC 2207
至于计算机怎样去模拟，那就是相当直接粗暴了，首先要把星系碰撞与并合的演化过程，划分成许多个均匀的时间段，而且每一段的时间间隔要划分得尽可能小。然后在每个时间段的分界点，计算星系中的每个天体所受到的其他天体的引力之和，再根据每个天体目前的位置和速度，预测它下一个时刻的位置和速度。就是这样循环往复，直到模拟出整个并合过程中所有天体位置和速度的演化轨迹，这就是所谓的N体模拟。1972年，基于N体模拟技术，人类完成了第一次完整的星系并合模拟，也是通过这次模拟人们发现，宇宙中星系的碰撞与并合远比预想的要普遍地多，另外在星系并合的过程中，由于恒星间的距离特别大，所以基本不可能发生恒星直接相撞的事件。
我们再回到M87星系，正是因为星系的碰撞与并合，M87才成长为今天的宇宙巨无霸，但是它的生长还远远没有结束，目前的天文观测表面，M87星系与M86星系正在互相靠近，早晚有一天，这两个星系也会发生碰撞与并合，这就叫比大更大。好了关于室女座星系团，主要的话题就是M87星系，下面我们再大致看一下室女座超星系团。在室女座超星系团中，除了室女座星系团，还有两个比较大的星系团——天炉座星系团河波江座星系团，而其他的基本都是星系群，由几十个星系所构成，和本星系群也差不了多少，我们就不多讲了。关于室女座超星系团最后值得一讲的，就是它和它内部的星系团、星系群、星系或是恒星系统，有一个本质性的差别，后者全都是引力束缚系统，但室女座超星系团并非如此。那么什么是引力束缚系统，引力束缚系统就是引力束缚的系统。
我们知道宇宙正处于不断膨胀的状态，而且是在加速膨胀，这种膨胀是空间本身的膨胀，最经典的一个类比就是气球，一个气球在膨胀，气球表面画的一条线也会随之加长，但并不是所有的位于气球表面的物体，都会随着气球的膨胀而变大。比如说气球的表面的一只蚂蚁，不论气球怎样膨胀，蚂蚁的结构都会保持稳定，不会变成大蚂蚁，这只蚂蚁就可以看做是一个引力束缚系统。宇宙也是如此，虽然宇宙整体在膨胀，但我们目前所介绍过的所有区域，包括银河系、仙女星系、本星系群、M87星系、室女座星系团，还有什么大、小麦哲伦星云、人马座矮椭球星系，当然也包括太阳系，都在自身引力的束缚下保持着结构的稳定，它们无一例外全都是引力束缚系统。
纵观这些引力束缚系统，它们都有一个共同点，就是在其中心都存在一个大质量核心。比如说太阳系的中心是太阳，太阳质量占到了太阳系总质量的99.86%，于是在太阳引力的作用下，太阳系内的其他天体都在围绕着太阳公转。再比如说，银河系的中心是银心黑洞，质量高达太阳质量的400万倍，在银心黑洞的牵引下，银河系的四大旋臂就像风车叶片一样，绕着银心旋转。另外，室女座星系团的中心是M87星系，M87星系的中心是65亿倍太阳质量的超大黑洞，而在M87星系的引力作用下，室女座星系团中的2000多个星系，也保持了一个稳定的椭圆结构。其实一开始，人们认为室女座超星系团也是一个引力束缚系统，但是后来情况发生了改变。上世纪80年代，有7位来自美国和英国的天文学家，都在研究椭圆星系的性质，但是一个人的力量毕竟有限，无法进行大规模的巡天，于是他们就决定联合在一起共享观测数据。
既然是一个团队，那就要起一个响亮的名字，于是在黑泽明的电影《七武士》的启发下，他们就自称为七武士。最后短短几年时间，七武士就完成了室女座超星系团中400多个椭圆星系的观测工作，并收集了大量的数据。当把这些数据汇总之后，他们惊愕地发现，这400多个椭圆星系都在以每秒600-1000千米的速度，朝着人马座方向的一个神秘天体快速移动，而且该天体距离地球超过了2亿光年。这就意味着室女座超星系团中的众多星系，并没有向着超星系团的中心室女座星系团移动，而是奔向了更远处的一个巨大的引力源，于是七武士就将其称为巨引源。也就是说，在巨引源的吸引下，室女座超星系团无法保持自身的稳定，它并不是一个引力束缚系统。测量结果表明，巨引源的质量达到了太阳质量的5×1016倍，即5亿亿倍，这是室女座超星系团质量的5倍。
那么如此巨大、如此恐怖的引力源，它的真面目到底是什么呢？因为它并不处于室女座超星系团内部，所有这就不是本期节目要讨论的话题了。最后发一个感慨，最近为了准备这几期科普节目，我重新回看了过去的大量节目，然后产生两个感慨。首先我当年是真帅啊，当然现在也不差，老款法拉利也是法拉利，胖头鱼再怎么包装再怎么西装革履也是胖头鱼。第二个感慨就是再一次惊叹于宇宙的浩瀚与神奇，前段时间，有不明飞行物导致某机场航班大面积取消，对于无人机的说法，广大网友显然是不买账的。那我看就剩三种可能，一是我方军事行动，二是敌方军事行动，三是外星人造访地球。第一个可能性应该也被排除，我是不相信这种事情会不打招呼，而且偏偏要跑到机场上空。至于第二个和第三个可能性，很多人愿意相信是敌方军事行动，但我也不相信，难道外面都发展成这个样子了？难道差距如此巨大？这也不合常理。
其实很多人也不相信，但多年以来，在一众科普人所谓的科学精神的蛊惑下，本着信源、实证、证伪等各种自欺欺人的说法，人们违心地对一切未知事件、神秘事件持一种否定态度，以此彰显自己的科学精神。可在我看来这并不是科学精神，反正我对科学精神是有两种理解，在具体的工作和生活中，我们当然要秉持科学精神，否则就会走上歧路，变成傻X认死理。但对于无尽的未知领域，我们不妨敞开心扉，咱就是普通老百姓，时时刻刻随处随地端着一个科学精神的架子装给谁看呢？累不累得慌。恰恰相反，正是现代科学向我们展示了宇宙的无限和多样，高等外星文明的几个外星人驾驶着飞船飞临地球，这有什么大不了的？或者说在外面已经发展到了这个程度和外星文明存在这两个可能性之间，你觉得哪个更靠谱呢？当然不管是哪一个，我们都得不到真相，他们也不会告诉我们，特别是后者，将对整个人类社会造成巨大冲击，而在这一点上，“他们”显然存在广泛共识。
