儘管我們生活在一個巨大的三維宇宙中，但通過望遠鏡看到的天體看起來是平的，因為一切都太遙遠了。現在，天文學家首次測量了一個最大和離我們最近的橢圓星系M87的三維形狀。這個星係有點像是土豆形狀。這種立體視覺是通過結合美國宇航局的哈勃太空望遠鏡和夏威夷毛納克亞的地面WM凱克天文台的力量實現的。

一張巨大的橢圓星系M87的照片[左]與用哈勃和凱克望遠鏡進行的細緻觀察所收集到的其三維形狀相比較[右]。由於該星系太過遙遠，天文學家們無法採用立體視覺，他們轉而跟踪M87中心周圍的恆星運動，就像蜜蜂圍繞著蜂巢。這創造了一個恆星在銀河系內分佈的三維視圖。資料來源：NASA，ESA，Joseph Olmsted（STSCI），Frank Summers（STSCI），Chung-Pei Ma（UC Berkeley）。

在大多數情況下，天文學家必須利用他們的直覺來弄清深空物體的真實形狀。例如，被稱為”橢圓體”的整類巨大星系在照片中看起來就像一個個小球。確定巨型橢圓星系的真實形狀將幫助天文學家更好地了解大型星系及其中心大型黑洞是如何形成的。

科學家們通過測量蜂擁在星系的超大質量中央黑洞周圍的恆星的運動來製作這個三維圖。恆星的運動被用來對星系的形狀及其旋轉提供新的見解，它還產生了對黑洞質量的新測量。跟踪恆星的速度和位置使研究人員能夠建立一個銀河系的三維視圖。

加州大學伯克利分校的天文學家能夠高度精確地確定銀河系核心黑洞的質量，估計其質量是太陽的54億倍。1995年的哈勃觀測首次測量出M87黑洞的質量為24億太陽質量，天文學家通過對圍繞黑洞旋轉的氣體的速度進行計時來推斷。當事件視界望遠鏡（一個由地面望遠鏡組成的國際合作項目）在2019年首次發布同一黑洞的圖像時，其漆黑的事件視界的大小使研究人員能夠利用愛因斯坦的廣義相對論計算出65億太陽質量的質量。

M87的立體模型和中央黑洞更精確的質量可以幫助天體物理學家了解黑洞的自旋率。加州大學伯克利分校這項研究的首席研究員Chung-Pei Ma說：”現在我們知道了M87中恆星淨旋轉的方向，並且有了最新的黑洞質量，我們可以將這些信息與來自事件地平線望遠鏡的數據結合起來。”

M87的質量是銀河系的10倍以上，它可能是由許多其他星系合併而成的。這可能是M87的中心黑洞如此之大的原因–它同化了一個或多個被它吞噬的星系的中心黑洞。

馬雲和加州大學伯克利分校的研究生Emily Liepold（發表在《天體物理學報》上的論文的第一作者）以及德克薩斯A&M大學的Jonelle Walsh能夠確定M87的三維形狀，這要感謝安裝在Keck II望遠鏡上的一個新的精密儀器。他們將Keck對準了該星系的62個相鄰位置，繪製了一個大約7萬光年的區域內的恆星光譜圖。這個區域橫跨中央的3000光年，那裡的重力主要由超大質量黑洞主導。儘管由於M87的距離很遠，望遠鏡無法分辨單個恆星，但光譜可以揭示出速度範圍，以計算出它們所圍繞的物體的質量。

“這有點像在看擁有1000億隻蜜蜂的蜂群，”Ma說。”儘管我們從遠處看它們，無法辨別單個蜜蜂，但我們得到了關於它們集體速度的非常詳細的信息。”

研究人員採取了2020年和2022年之間的數據，以及哈勃對M87的早期恆星亮度測量，並將它們與計算機模型對恆星如何圍繞三軸形星系中心運動的預測進行比較。對這些數據的最佳擬合使他們能夠計算出黑洞的質量。”Ma說：”了解’蜂群’的三維形狀使我們能夠獲得對中心黑洞質量的更有力的動態測量，該黑洞正在支配它的軌道速度。”

在20世紀20年代，天文學家埃德溫-哈勃首次根據星系的形狀進行分類。平盤螺旋星係可以從天空的不同投影角度觀看：正面、斜面或邊緣。但是，”看起來像圓球的”星系的特徵就比較麻煩了。哈勃想出了橢圓這個詞。它們只能根據橢圓度的大小進行分類。它們的內部沒有任何明顯的塵埃或氣體來更好地區分它們。現在，一個世紀之後，天文學家們有了一個立體的橢圓星係原型。