左圖為M77星系，右圖為研究團隊用MATISSE觀測到的活動星系核。
宇宙中大部分星系和銀河系一樣，光線主要是由恆星發出的。不過，也有一些星系核心發出的光足以讓整個星系顯得暗淡無光，它們被稱為活動星系核。活動星系核有很多種表現形式，其中類星體被認為是宇宙中最亮的天體。30年前，天文學家預言所有活動星系核都共享一個「統一模型」，近日，科學家終於通過紅外干涉儀的圖像證明了這一點。
1924年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）分解出了仙女座大星雲（M31）中的造父變星，發現其距離超出了銀河系的尺度，這革新了天文學家的認知——在銀河系外，同樣存在無數的河外星系。從那之後，天文學家在不同波段對大量星系展開了統計觀測。他們發現大部分星系和銀河系一樣，光譜主要為黑體輻射譜，這表明它們的光都是由恆星的熱輻射發出的。
活動星系核
不過，上世紀中葉以來，天文學家逐漸發現少部分不一樣的星系。這些星系非常亮，其光譜也顯示出明顯的非熱輻射特徵。同時，這些星系的光譜能在幾天到一年內迅速發生變化，這說明整個星系主要發光的部分尺度不超過1光年。這些星系被稱為活動星系，而它們最明亮的核心，就是讓天文學家心馳神往的活動星系核（active galactic nucleus, AGN）。
說到全宇宙中最高能的天體，常常會讓人想到超新星。對公元1054年的超新星，史書記載道：「晝見如太白，芒角四出，色赤白。」即使是白天，人也能用肉眼看到超新星，亮度和金星（太白）相當。但如果按絕對亮度來算，活動星系核產生的類星體才是宇宙中最亮的天體。但是由於距離太過遙遠，直到上世紀中葉，天文學家才逐漸確認它的存在。
除此之外，有的活動星系核還會釋放射電輻射；有的活動星系核則略顯克制；有的還存在綿延數千光年的噴流，在一些星系中，因為角度和速度的關係，噴流的速度在我們看來甚至超越了光速。（當然，這是一種視錯覺。）
類星體3C279的藝術想像圖，天文學家曾在其中觀測到過視超光速現象。圖片來源：ESO/M. Kornmesser
統一模型
不過，1993年，羅伯特·安東努奇（Robert Antonucci）提出了一種「統一模型」，他認為，所有的活動星系核本質上都是一樣的，都是一個被厚重塵埃環圍繞的超大質量黑洞，它以塵埃為食，物質在被黑洞吞噬前，會繞著黑洞盤旋加速，釋放大量能量，這個過程中釋放的非熱輻射會讓整個星系都黯然失色。我們觀測到不同類型的活動星系核，只是因為它朝向我們的方向不同而已。
活動星系核的統一模型，從不同方向上看，活動星系核分別會表現出不同的性質。圖片來源：Urry& Padovani(1995)
因為這種模型簡單且合理地解釋了天文學家觀測到的現象，並且和觀測事實符合的也很好，它很快被廣泛接受了。天文學家之前也找到了一些能支持「統一模型」的證據，其中包括在M77星系中心發現了暖塵埃。然而，對於塵埃能否完全遮蔽黑洞的懷疑仍然沒有消解，天文學家仍然懷疑這是否能解釋為何M77中心的活動星系核在可見光上比其他的暗。
不過，多虧了歐洲南方天文台甚大望遠鏡干涉儀（VLTI），由荷蘭萊頓大學的維奧萊塔·加梅茲·羅斯（Violeta Gámez Rosas）領導的一個研究團隊終於能給M77星系中心的活動星系核拍攝一張特寫。在厚厚的塵埃後面，隱藏著這個星系中心的狂暴的超大質量黑洞，這證實了30年前的預測，將人類對活動星系核的理解向前再推一步。相關結果近日發表在《自然》雜誌上。
塵埃中的黑洞
「塵埃雲的性質，以及它們如何作用於黑洞供能，如何決定了黑洞看上去的樣子，在過去三十年裡一直是活動星系核研究的核心問題。」羅薩斯解釋道，「雖然沒有一勞永逸解決所有問題的結果，我們仍然在理解活動星系核機制上邁出了重要的一步。」
本次觀測是由安裝在智利阿塔卡馬沙漠VLTI上的多孔徑中紅外光譜實驗（MATISSE）實現的。MATISSE能將VLT的四座8.2米望遠鏡收集的紅外光用干涉技術合併起來，研究團隊用它掃描了M77的中心，該星系位於鯨魚座方向，據我們4700萬光年。
VLTI照片，它由四個8.2米的望遠鏡和四個可移動的1.8米望遠鏡組成。圖片來源：ESO/G. Hüdepohl
「MATISSE可以看到很多波長的紅外線，這讓我們能透過塵埃，準確測量溫度。因為VLTI是非常大的干涉儀，它的解析度甚至足以讓我們看到在遙遠的M77中心發生了什麼。我們獲得的圖像詳細描述了黑洞周圍塵埃雲的溫度和吸收率變化。」萊頓大學教授、合著者沃爾特·賈菲（Walter Jaffe）說。
MATISSE儀器照片，它能將VLTI四個望遠鏡的光結合起來。圖片來源：ESO
結合黑洞強烈輻射造成的塵埃溫度變化（從室溫到1200°C左右）和吸收圖，研究小組繪製了一張詳細的塵埃圖片，並精準定位了黑洞的位置。塵埃環內側較厚，還有一個廣闊的圓盤結構，黑洞位於其中心，這支持了統一模型。研究團隊還利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）的數據來構建它們的圖像。
「我們的研究成果應該有助於更好地理解活動星系核的內部工作原理。」羅薩斯總結道，「它們還可以幫助我們更好地了解銀河系的歷史，銀河系的中心同樣有一個超大質量黑洞，它在過去可能也很活躍。」
研究人員啊正在試圖用這個方法觀測更多星系，找到更多支持活動星系核統一模型的證據。
團隊成員布魯諾·洛佩茲（Bruno Lopez）是MATISSE的首席研究員，他說：「M77是一個重要的活動星系核原型，對它的觀測是擴展我們的觀測計劃，優化MATISSE以調查更多活動星系核的一個極好動機。」
ESO的特大望遠鏡（Extremely Large Telescope, ELT）將在十年內開始觀測，它也能協助搜索，提供的結果將補充該團隊的發現，並使他們能探索活動星系核和星系之間的相互作用。
