M87星系

M87 星系 ，又称 室女座 A星系， 梅西叶星表 中的第87号 天体 ，NGC编号为4486，位于 本星系团 中，是一个距离 地球 5000多万光年的巨椭圆星系，M87星系里共含12,000个球状星团，恒星总数及星系总质量也约为银河系的100倍以上。

M87星系是银河系附近几个质量最大的星系之一。 其亮度逐渐向里增强。 1781年， 法国 天文学家 查尔斯·梅西耶 发表了著名的梅西耶星表，里面包含103个 星云 状的天体，M87星系就是其中之一。1918年， 美国 天文学家 柯蒂斯 首次观测到M87的喷流，该 星系 由其核心向外发出一道延伸约5000光年的高能 等离子体 流，其速度可达 相对论 性速度，与 光速 相当接近。1947年，人们证实 处女座 A的射电信号就来自于M87，于是M87成为知名的射电星系。2017年，“ 事件视界望远镜 ”成功拍摄到了M87星系中心 超大质量黑洞 （M87*）的照片。这张照片也是人类历史上的首张黑洞照片，于2019年4月10日正式面世。

2023年9月，由来自全球45个研究机构的科研人员组成的国际科研团队通过分析多个 甚长基线干涉测量 （VLBI）网在2000年至2022年的观测数据，发现M87星系中心黑洞喷流呈现 周期性 摆动，摆动周期约为11年，振幅约为10度。这项研究成果为M87黑洞 自旋 的存在提供了有力的观测证据。

观测历史

1781年， 法国 天文学家梅西尔出版了一份 天体 目录，其中罗列103个看起来像 星云 的天体。这份天体目录的目的是给对寻找 彗星 有兴趣的人参考用，列出最可能与彗星混淆之天体。后来使用时，目录中每个项目编号前都加上了梅西尔的姓氏开头字母“M”－－例如，M87是这份梅西尔星体列表的第87号。在1880年代，此编号为M87的星云获列入 星云和星团新总表 成为编号NGC4486号 天体 。该版新总表由 爱尔兰 天文学家约翰·德雷尔汇编，主要内容采用 英国 天文学家 约翰·赫歇尔 之观测资料。

1918年 ，美国利克天文台天文学家 柯蒂斯 观测发现，M87没有 旋臂 结构，并且他注意到“一束奇怪的直 射线 一道由物质组成的细线明显与核相连”。光束的明亮端出现在内侧。次年，M87里的超新星爆发达到21.5照相 星等 ，但该次超新星事件并没有公开报告，这个超新星爆发直到1922年俄国天文学家因洛肯齐·A·克伦诺夫斯基（Innokentii A. Balanowski）检查当时该片照相干板时才获发现。

按 美国 天文学家埃德温·哈伯的分类，M87属于明亮的球状 星云 类，因为它完全没有 旋臂 状结构，但似乎与非 银河系 星云的 螺旋星云 同属一类。1926年，哈伯制作一个新的星云分类，M87被归类为没有明显伸长（E0型）的椭圆 河外星系 。到1931年，哈伯确定M87为 本星系团 的成员之一，因此，他给M87暂定了一个估算距离，与 地球 距离是180万秒差距。当时M87是椭圆星云中已知可以角解析到个别 恒星 的唯一例子。随后许多年，M87仍继续获称为河外星云，但到1956年，它已被确定归类为E0型 星系 。

1947年，发现一个明显的电波源位置确定和M87位置重叠，这电波源称为 处女座 A（ Virgo- A）。1953年证实处女座A电波源就是M87，电波源发出的辐射可能是从星系核心发出的线性 相对论 喷流造成。喷流由星系核心260° 方位角 位置向外延展了20”角距离，角幅为2”。在1969年至70年间发现电波辐射中有相当强的成分分量和 可见光 波段 的喷流发射源位置极为靠近。

1965年4月， 美国海军 研究实验室发射了一枚空蜂150观测火箭，火箭上配备了一对 盖革－米勒计数器 。在这次太空任务中，结果发现了7个可能的X射线源，包括X射线观测史上的第一个河外X射线源；这在 处女座 侦测到的第一个X射线源，即命名为 处女座 （ Virgo X-1）。后来，又于1967年7月7日从白沙导弹靶场发射的空蜂150观测火箭，取得进一步证据显示，室女座X-1也是电波星系M87。随后的HEAO1和 爱因斯坦卫星 所执行的X 射线 观测则呈现出一个复杂的射线源，其中包括M87的活跃星系核。不过，中心的X射线辐射却不明显。

组成

超大质量黑洞

此 星系 的核心是超大质量黑洞（SMBH），其质量按不同估计法，从（3.5±0.8）× 太阳质量，到（6.6±0.4）× 太阳质量。在同类 天体 中，已知它是其中质量最大之一。有一 电离 气体旋转盘环绕黑洞，和 相对论 性喷流近乎垂直。旋转盘的运动速度达每秒1000公里，盘面宽0.12秒差距（0.39光年）。估计黑洞 吸积 气体的 速率 约等于每10年吞下一个太阳质量（也可换算而等于每天吃下91个地球质量）。

观测表示，M87黑洞可能与 星系 中心有大约25秒差距（82光年）的位移。位移是在单侧喷流的反方向，这可能表示黑洞受喷流作用而自中心向外加速运动。另一种会发生位移的可能来自两个 超大质量黑洞 合并。这些发现必须谨慎以对。因其研究尚不包括 恒星 和活跃星系核组成间的光谱差异。因此，有可能，星系中心和黑洞看起来的相对位置存有因对喷流本身光学闪焰误解的因素。2011年对M87所做分析，并未发现有任何统计上达显著标准的位移。

星际介质

像M87 星系 这样，归类为活跃型椭圆星系的星系，一般认为其成因是一或多个较小星系之间的合并。这类星系到现阶段所剩余之尘埃量少，不足形成弥漫 星云 并制造新恒星，其恒 星族 群的组成成员以较年老的第二星族恒星为主，主要是氢和氦，其他元素较少。外观上的椭圆形状由其 恒星 成员之随机轨道运动维持，相形之下，在像 银河系 这样的 螺旋星系 中所发现的轨道运动是比较规律而非随机。

在M87星系里的恒星际空间充斥着弥漫星际介质气体，是 恒星演化 至 主序星 晚期、寿命结束时所喷发富含 化学元素 的气体。其碳和 氮 由演化到渐近巨星分支之中等质量恒星源源供应，氧和铁等较重元素主要是由 星系 中的 超新星 爆炸产生，约占60%的重元素是由超新星核心塌缩产生，其余来自Ia型超新星爆发。因此，由这些元素的大致分布可知，一方面，M87早期的 化学 丰度 是由超新星核心塌缩供应的，但论丰度则远低于 银河系 ，另一方面，无论M87星系的早或近期，其星际介质持续是由 Ia型超新星爆发提供。

由 远红外线 波段 观测显示M87星系在波长25微米以上波段，有过量辐射。一般而言这类辐射代表的是暖灰尘发出的 热辐射 。然而，在M87，这辐射似乎完全可以用喷流 同步辐射 来解释。在该 星系 中，因为星系核发出X射线辐射，估计硅颗粒并无法存活超过4千600万年。这类尘埃在恶劣环境下可能会被破坏，或从星系中被逐出境外。星系中尘埃总质量不超过70,000倍太阳质量，相较之下，银河系所含尘埃量大约是一亿倍太阳质量。

在距核心4000秒差距（1万3000光年）以内区域，金属 丰度 约为 太阳 一半左右（天文学家将除了氢和氦以外的元素皆称为金属元素），超过这个范围以外，金属丰度与相对于星系核心之距离稳定呈反比，越远丰度越低。虽然M87是归类为椭圆星系，因此，并没有 螺旋星系 的尘埃带，但M87观测中曾出现optical 丝状，丝状物质估计质量约1万倍太阳质量。 星系 外围环绕着向外延伸、高热、低密度，气体，像 日冕 状。

球状星团

M87里有异常大量的 球状星团 。据2006年观测，距离星系核心25角分之区域内，估计有12,000±800个球状星团以规律轨道环绕M87星系， 银河系 的球状星团则只有150-200个，差异极大。这些 星团 的大小分布和银河系相似，多数有效半径为1〜6秒差距之间。M87里的星团大小随着距离核心越远而渐增。2014年首度观测发现到的超高速 球状星团 HVGC-1，就正在从M87星系逃逸出走。这项发现表示，在M87核心的是两个超大黑洞，而不是一个。这两个 超大质量黑洞 是源自于很久以前的两个 星系 之碰撞，结果二星系合并成单一巨大星系。

M87里的组成还包括超致密 矮星系 ，它与 球状星团 类似，但直径在10秒差距（33光年）以上，这比球状星团最大不超过3秒差距（10光年）之上限大得多。目前还不清楚超致密矮星系的性质，是否为M87所捕获的矮星系，或是另一类新的巨大 球状星团 。M87有数以千计的球状星团，其中近百个是超致密矮星系。

据2006年的观测，距离核心25′处，估计有12,000± 800个 球状星团 环绕着M87 。与 银河系 有150-200个环绕的球状 星团 相比，M87有着异常大量的球状星团成员（可能是已知有最多星团环绕的 星系 ）。以 球状星团 数量分布推论估计在M87核心32,000秒差距范围内的质量约是2.6 ± 0.3 × M☉ 。

M87被归类为有 超大质量黑洞 的星系。在2006年量测至距离核心25′处，估计有12,000± 800个 球状星团 环绕着M87。与银河系的150-200个比较，M87有着异常大量的球状 星团 成员（可能是已知有最多星团环绕的星系）。

喷流

相对论 性喷流，自M87核心向外延伸至少达1,500秒差距（5,000光年），组成物是一个超大质量黑洞所喷发出来的物质。此喷流呈现高度准直性，在0.8秒差距（2.6光年）看来不超过60°，在 2秒差距（6.5光年）的距离时则不超过16°，在 12秒差距（39光年）距离时不超过6-7°。喷流的基底处直径大约5.5±0.4 史瓦西半径 。喷流能量可能来自一个以顺向盘旋于一个 自旋 黑洞的盘。

关于有没有证据显示它的反向喷流，这部分特征因为从 地球 角度看，受 相对论 性聚束效应影响，证据是看不到的。因为喷流 进动 ，导致其外流形成螺旋状，大约1.6秒差距（5.2光年）。从喷流朝外呈叶瓣型延展的两片物质分布范围，达77,000秒差距（25万光年）之远。德裔美籍天文学家 沃尔特·巴德 发现喷流辐射的光是平面偏振，表明这是由在相对论速度下的加速 电子 于 磁场 中国移动通信集团 所产生的能量。这些电子的总能量输出估计为5.1×10尔格（或5.1×10 焦耳 或3.2×10电子伏特） 。与之相较，整个 银河系 产出能量估计约为每秒5×10焦耳。

1999年 哈勃空间望远镜 拍摄之照片，测得M87喷流运动速度达 光速 4~6倍。据推测，这是因喷流的 相对论 速度引起的 错觉 ，并不是真正的 超光速运动 。另一方面，侦测到这样的运动也支持了一种理论所说，其实 类星体 、蝎虎座BL型 天体 和电波星系等现象，（即所谓活跃星系核），三者可能全是同一种东西，只不过在不同角度下看到不同的特征。有学者曾提出假设，M87实际上或许可能是一个蝎虎座BL天体（其特征是 宿主 星系 的亮度高，星系核亮度低，对比明显），只要由反方向角度观测它便会得到蝎虎座BL天体的属性。

钱德拉X射线天文台 的观测显示M87辐射出热X-射线的气体圈和环，这些圈和环是渗入 星系团 和环绕着 M87的气体因压力波而引起的。压力波则是由 超大质量黑洞 喷流抛出物质的 速率 变化造成的。圈的分布指出大约每600万年可能会发生一次小喷发，有一个环绕着黑洞，直径85,000光年的 冲击波 环是由一次主要的喷发所造成。其他被观察到的明显特征还有长达10万光年，散发出X-射线的 狭窄细丝，和在7000万年前爆发的热气体中的一个巨大空洞。规律的爆发使大量气体无法冷却并形成 恒星 ，这暗示M87的演化因而受到严重影响，使它不能成为巨大的 螺旋星系 。观测也暗示着那里有 声波 ：较小的爆发所发出的声音比中央C低56个八度音，大型爆发则产生比中央C低58-59个八度音的声音。

M87也是强烈的伽玛射线源，伽玛射线是 电磁波 频谱 中能量最高的，能量是 可见光 的百万倍。1990年后期就曾观测到M87发出伽玛射线，到2006年使用HESS契伦可夫望远镜观测已测量到来自M87的伽玛射线呈现如 潮汐 般起伏变化，周期约每几天就发生一次。因周期短，伽玛射线源为何的矛头因而指向了M87星系中心 超大质量黑洞 之邻近区域。

一般来说，辐射源直径越小亮度变化越快。反之亦然。

喷流上有一名为HST-1的物质结， 哈勃空间望远镜 和钱德拉X射线天文台一直持续在追踪关注，这个结距离 星系 核心约65秒差距（210光年），2006年时，这个HST-1结的X射线强度，曾在4年间暴增50倍，随后呈变异式衰减。

黑洞质量估计

在 1918年 ，利克天文台的天文学家 柯蒂斯 首度发现来自M87的物质喷流，被描述为“古怪的直线光束”。这道由黑洞造成的喷流自M87核心向外延伸至少5,000光年，事实上，精确而言，喷流的来源位置是围绕着M87核心快速旋转的气体盘（ 吸积盘 ）。在1994年时，天文学家认为 M8 7星系核心的 超大质量黑洞 大约30亿个太阳质量(3× M☉)。

2009年， 美国 天文物理学家卡尔·盖哈特（Karl Gebhardt）与 德国 科学家延斯·托马斯（Jens Thomas）在美国加州 帕萨迪纳 的“ 美国天文学会 ”（American Astronomical Society）会议发表：位于M87星系（Messier 87 Galaxy）中心的黑洞质量是64亿个太阳质量（6.4× M☉），两学者之发现系借助 德州大学 “德州先进运算中心”，大量模拟计算 恒星 轨道数据库而得。

2011年，盖哈特等天文学家使用夏威夷毛纳基峰上的双子星天文台观测资料，计算得知M87中心黑洞质量为66亿太阳质量，这使M87中心黑洞成为当时所知的质量最大黑洞，也成为数十年内人类可望真正“看到”黑洞的头号最佳人选。

黑洞阴影观测

M87中心黑洞是已知质量最大黑洞之一，因其与 地球 距离为5千万光年，相对较近，也是数十年内人类可望真正看到黑洞的优良观测对象。迄今天文学家一直不断努力于取得黑洞存在之 直接证据 ，如果透过特长 基线 干涉法在次毫米 波段 相连遍布世界三大洲许多天文望远镜成一巨大望远镜，黑洞的 事件视界 成像力将提升不少，藉环绕M87中心黑洞周围的一圈明亮气体盘为底色映衬，望远镜可望拍下黑洞之事件视界完全不发光的阴影（黑洞存在的直接证据）。

北京时间2019年4月10日晚9时许，包括 中国 在内，全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”。 该黑洞位于 处女座 一个巨椭圆星系M87的中心，距离 地球 5500万光年，质量约为 太阳 的65亿倍。 它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个 新月 状光环。 阿尔伯特·爱因斯坦 广义相对论 被证明在极端条件下仍然成立。