“宇宙土豆”：M87星系的真实三维形状被揭示出来

尽管我们生活在一个巨大的三维宇宙中，但通过望远镜看到的天体看起来是平的，因为一切都太遥远了。现在，天文学家首次测量了一个最大和离我们最近的椭圆星系M87的三维形状。这个星系有点像是土豆形状。这种立体视觉是通过结合美国宇航局的哈勃太空望远镜和夏威夷毛纳克亚的地面W.M.凯克天文台的力量实现的。

一张巨大的椭圆星系M87的照片[左]与用哈勃和凯克望远镜进行的细致观察所收集到的其三维形状相比较[右]。由于该星系太过遥远，天文学家们无法采用立体视觉，他们转而跟踪M87中心周围的恒星运动，就像蜜蜂围绕着蜂巢。这创造了一个恒星在银河系内分布的三维视图。资料来源：NASA，ESA，Joseph Olmsted(STSCI)，Frank Summers(STSCI)，Chung-Pei Ma(UC Berkeley)。

在大多数情况下，天文学家必须利用他们的直觉来弄清深空物体的真实形状。例如，被称为"椭圆体"的整类巨大星系在照片中看起来就像一个个小球。确定巨型椭圆星系的真实形状将帮助天文学家更好地了解大型星系及其中心大型黑洞是如何形成的。

科学家们通过测量蜂拥在星系的超大质量中央黑洞周围的恒星的运动来制作这个三维图。恒星的运动被用来对星系的形状及其旋转提供新的见解，它还产生了对黑洞质量的新测量。跟踪恒星的速度和位置使研究人员能够建立一个银河系的三维视图。

加州大学伯克利分校的天文学家能够高度精确地确定银河系核心黑洞的质量，估计其质量是太阳的54亿倍。1995年的哈勃观测首次测量出M87黑洞的质量为24亿太阳质量，天文学家通过对围绕黑洞旋转的气体的速度进行计时来推断。当事件视界望远镜(一个由地面望远镜组成的国际合作项目)在2019年首次发布同一黑洞的图像时，其漆黑的事件视界的大小使研究人员能够利用爱因斯坦的广义相对论计算出65亿太阳质量的质量。

M87的立体模型和中央黑洞更精确的质量可以帮助天体物理学家了解黑洞的自旋率。加州大学伯克利分校这项研究的首席研究员Chung-Pei Ma说："现在我们知道了M87中恒星净旋转的方向，并且有了最新的黑洞质量，我们可以将这些信息与来自事件地平线望远镜的数据结合起来。"

M87的质量是银河系的10倍以上，它可能是由许多其他星系合并而成的。这可能是M87的中心黑洞如此之大的原因--它同化了一个或多个被它吞噬的星系的中心黑洞。

马云和加州大学伯克利分校的研究生Emily Liepold(发表在《天体物理学报》上的论文的第一作者)以及德克萨斯A&M大学的Jonelle Walsh能够确定M87的三维形状，这要感谢安装在Keck II望远镜上的一个新的精密仪器。他们将Keck对准了该星系的62个相邻位置，绘制了一个大约7万光年的区域内的恒星光谱图。这个区域横跨中央的3000光年，那里的重力主要由超大质量黑洞主导。尽管由于M87的距离很远，望远镜无法分辨单个恒星，但光谱可以揭示出速度范围，以计算出它们所围绕的物体的质量。

"这有点像在看拥有1000亿只蜜蜂的蜂群，"Ma说。"尽管我们从远处看它们，无法辨别单个蜜蜂，但我们得到了关于它们集体速度的非常详细的信息。"

研究人员采取了2020年和2022年之间的数据，以及哈勃对M87的早期恒星亮度测量，并将它们与计算机模型对恒星如何围绕三轴形星系中心运动的预测进行比较。对这些数据的最佳拟合使他们能够计算出黑洞的质量。"Ma说："了解'蜂群'的三维形状使我们能够获得对中心黑洞质量的更有力的动态测量，该黑洞正在支配它的轨道速度。"

在20世纪20年代，天文学家埃德温-哈勃首次根据星系的形状进行分类。平盘螺旋星系可以从天空的不同投影角度观看：正面、斜面或边缘。但是，"看起来像圆球的"星系的特征就比较麻烦了。哈勃想出了椭圆这个词。它们只能根据椭圆度的大小进行分类。它们的内部没有任何明显的尘埃或气体来更好地区分它们。现在，一个世纪之后，天文学家们有了一个立体的椭圆星系原型。