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超大質(zhì)量黑洞
位于星系中心的天體現(xiàn)象
基本信息
| 中文名 | 超大質(zhì)量黑洞 |
| 外文名 | Supermassive black hole |
| 質(zhì)量 | 100萬倍至100億倍太陽質(zhì)量 |
| 別名 | 超重黑洞 |
| 分類 | 黑洞 |
| 位置 | 所有星系的中心 |
收起
研究發(fā)現(xiàn)
可以統(tǒng)治整個(gè)星系內(nèi)的所有天體
超大質(zhì)量黑洞
銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞位于人馬座A中，根據(jù)科學(xué)家的統(tǒng)計(jì)，銀河系的中央隆起中包括了大約1百億顆恒星，跨度達(dá)到數(shù)千光年左右，其周圍存在一些塵埃團(tuán)和氣體結(jié)構(gòu)，使得我們對(duì)銀河系中央隆起的觀測(cè)受到了一定的影響。
科學(xué)家通過2微米全天巡天計(jì)劃對(duì)銀河系中央結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，初步的調(diào)查結(jié)果顯示隆起形狀呈現(xiàn)X形，我們?cè)谟钪嫫渌窍抵醒肼∑鸾Y(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了類似的形狀。
高分辨率的圖像重點(diǎn)對(duì)大約200萬顆紅巨星進(jìn)行了調(diào)查，科學(xué)家對(duì)它們的屬性相對(duì)有所了解，通過對(duì)這些天體的觀測(cè)精確計(jì)算出它們的距離等參數(shù)，由此可以建立起一個(gè)關(guān)于銀河系中央隆起結(jié)構(gòu)的三維模型。
超大質(zhì)量黑洞
北京時(shí)間2021年3月24日晚10點(diǎn)，曾成功捕獲人類有史以來首張黑洞照片的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織，又為揭秘M87超大質(zhì)量黑洞提供了一個(gè)嶄新視角：它在偏振光下的影像。這次，EHT拍攝到了黑洞陰影周圍的高分辨率偏振圖像。
2022年5月，在包括上海在內(nèi)的全球各地同時(shí)召開的新聞發(fā)布會(huì)上，天文學(xué)家向人們展示了位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的首張照片，該照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織國際研究團(tuán)隊(duì)，通過分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成。
比較
區(qū)別
超大質(zhì)量黑洞
推導(dǎo)過程
史瓦西半徑的公式：R=2GM/c^2
G=6.67*10^(-11)，是引力常量
M為天體質(zhì)量
密度公式p=m/v
球體體積V=(4/3)*πR^3
密度p=M/V=M/[(4/3)*πR^3]
=3M/[4π(2GM/c^2)^3]
=3c^6/(32*πG^3*M^2)
除了M均為常量
代入π=3.14……
G=6.67*10^(-11)
c=3*10^8m/s
若令k=3c^6/(32*πG^3）=7.335*10^79
p=3c^6/(32*πG^3*M^2)=k/M2=7.335*10^79/M^2
由于史瓦西半徑是形成黑洞天體的最大天體半徑，其半徑比這個(gè)小，半徑小體積就會(huì)小，質(zhì)量一定時(shí)密度就大，所以史瓦西半徑下的黑洞密度最小，也就是上式密度最小，根據(jù)上式，密度與質(zhì)量的平方呈反比，其余皆為常數(shù)，所以質(zhì)量越大的物體密度越小。
如果地球成為黑洞，史瓦西半徑R=0.009m，密度p=2.05*10^30kg/m^3
太陽(質(zhì)量M=2*10^30kg)R=2964m，p=1.83*10^19kg/m^3
20萬倍太陽天體M=4*10^35kg,R=6*10^8m,p=4.6*10^8kg/m^3
1g球體：R=1.48*10^(-30)m,p=7.335*10^85kg/m^3
另外受到天體自轉(zhuǎn)等其他影響，這里的史瓦西半徑是理想狀態(tài)，不自轉(zhuǎn)的絕對(duì)球體，一般情況下稍有不同（自轉(zhuǎn)，橢球體）。
形成
超大質(zhì)量黑洞的形成有幾個(gè)方法
超大質(zhì)量黑洞
形成超大質(zhì)量黑洞條件
形成超大質(zhì)量黑洞的問題在于如何將足夠的物質(zhì)加入在足夠細(xì)小的體積內(nèi)。要做到這個(gè)情況，差不多要將物質(zhì)內(nèi)所有的角動(dòng)量移走。向外移走角動(dòng)量的過程就是限制黑洞膨脹的因素，并會(huì)導(dǎo)致形成吸積盤。
根據(jù)觀測(cè)，黑洞的類別有著一些差距。一些從恒星塌縮的黑洞，最多約有10太陽質(zhì)量。最小的超大質(zhì)量黑洞約有數(shù)十萬太陽質(zhì)量。但卻沒有在它們之間質(zhì)量的黑洞。不過，有模型指異常明亮的X射線源有可能是在這個(gè)遺失范圍的黑洞。
歷史
一些星系，如0402+379星系有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，形成一個(gè)二元系統(tǒng)。若它們相撞，將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的重力波。最新超級(jí)計(jì)算機(jī)模型顯示，星系中心超大質(zhì)量黑洞可能起源于宇宙最早期星系碰撞質(zhì)量是太陽數(shù)百萬倍至數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞通常存在于每個(gè)星系的中心區(qū)域，天文學(xué)家現(xiàn)發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞存在于宇宙形成之初的10億年內(nèi)。目前，超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算顯示，宇宙早期超大質(zhì)量原星系之間的合并為超大質(zhì)量黑洞的孕育提供了“滋養(yǎng)平臺(tái)”。宇宙誕生于137億年前。在宇宙早期，巨型原始星系之間的合并十分普遍，超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬顯示這種原始星系碰撞合并形成一種不穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)氣體盤狀結(jié)構(gòu)，其中的漏斗狀氣體僅在10萬年內(nèi)就逐漸堆積形成太陽質(zhì)量1億多倍的微型氣體云。該氣體云崩潰形成黑洞，致使該黑洞在大約1億年里通過從周圍盤狀結(jié)構(gòu)吸取氣體形成太陽10億倍的質(zhì)量。此前天文學(xué)家曾認(rèn)為超大質(zhì)量黑洞、星系和其它巨型星系結(jié)構(gòu)通過逐漸引力吸引宇宙物質(zhì)，最終形成質(zhì)量越來越大的星系結(jié)構(gòu)。美國俄亥俄州大學(xué)天文學(xué)家斯特利奧斯-卡贊特茲迪斯(Stelios Kazantzidis)是該研究報(bào)告合著作者之一，他說：“我們的研究結(jié)果顯示星系和超大質(zhì)量黑洞在內(nèi)的較大宇宙結(jié)構(gòu)體在宇宙歷史進(jìn)程中形成時(shí)間很短暫。”他指出，這項(xiàng)最新研究對(duì)于我們理解黑洞和星系的進(jìn)化具有更深遠(yuǎn)的意義。卡贊特茲解釋稱，依據(jù)傳統(tǒng)理論，星系的性質(zhì)和其中心的黑洞質(zhì)量密切相關(guān)，兩者處于“平行生長關(guān)系”，但這一理論現(xiàn)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修改。在我們的最新超級(jí)計(jì)算機(jī)模型中，黑洞的生長速度快于星系，因此黑洞并不完全受星系的增長所控制。瑞士蘇黎世大學(xué)天體物理學(xué)家盧西奧-梅耶(Lucio Mayer)是該項(xiàng)研究負(fù)責(zé)人，他指出，該模型的一個(gè)重要結(jié)論是宇宙最早期的星系中心區(qū)域擁有比之前預(yù)期更大的超大質(zhì)量黑洞。這項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)將有助天文學(xué)家更好地揭開神秘的引力波，依據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，遠(yuǎn)古星系合并將形成壯觀的引力波，所形成的漣漪在時(shí)空和太空中的殘留部分仍能探測(cè)到。目前，這項(xiàng)科學(xué)研究發(fā)表在8月26日出版的《自然》雜志上。
其它信息
超大質(zhì)量黑洞
在很多星系中心的超大質(zhì)量黑洞被認(rèn)為是活躍星系（如賽弗特星系及類星體）的「引擎」。馬克斯-普朗克太空物理學(xué)研究所及洛杉磯加利福尼亞大學(xué)基于歐洲南方天文臺(tái)及凱克天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，提供了證據(jù)指人馬座A*就是在銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。根據(jù)計(jì)算，它可能有260萬倍的太陽質(zhì)量。
銀河系以外的超大質(zhì)量黑洞
于2004年5月，Paolo Padovani及其他天文學(xué)家發(fā)表他們發(fā)現(xiàn)了在銀河系以外30個(gè)超大質(zhì)量黑洞。他們的發(fā)現(xiàn)令我們知道超大質(zhì)量黑洞的數(shù)量最少是以往所知的兩倍。現(xiàn)時(shí)相信每一個(gè)星系的中央包含一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，而它們大部份都處于「不活躍」的狀態(tài)且吸積不多。相反在球狀星團(tuán)的中央?yún)s沒有黑洞，不過相信一些如在飛馬座的M15及在仙女座星系的Mayall II的中央仍有黑洞，估計(jì)質(zhì)量約有十萬倍太陽質(zhì)量。
一些星系，如0402+379星系中有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，形成一個(gè)二元系統(tǒng)。若它們相撞，將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的引力波。
隱藏著五個(gè)超大質(zhì)量黑洞
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中隱藏著更多還未發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞，一組國際科學(xué)家小組利用核頻譜望遠(yuǎn)鏡陣列對(duì)此前認(rèn)為是塵埃和氣體的物質(zhì)聚集區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中隱藏著五個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它們釋放出高能X射線。本項(xiàng)研究由英國杜倫大學(xué)天文學(xué)家主導(dǎo)，旨在說明宇宙潛伏著數(shù)百萬尚無法被發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞。本項(xiàng)研究成果在英國皇家天文學(xué)會(huì)的國家天文學(xué)會(huì)議上進(jìn)行了闡述。
核頻譜望遠(yuǎn)鏡陣列是美國航天局先進(jìn)空間望遠(yuǎn)鏡，可對(duì)活躍星系中央的高能活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視，在候選的9個(gè)超大質(zhì)量黑洞，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)塵埃和氣體背后隱藏著質(zhì)量巨大的黑洞。它們利用這些宇宙物質(zhì)作為“掩護(hù)”，使得我們難以發(fā)現(xiàn)它們，但是黑洞吸積物質(zhì)的行為也暴露了它們的存在，高能X射線可穿透這些塵埃和氣體。這也說明宇宙中還有更多類似的地方需要引起注意，黑洞也可能隱藏在背后。
核頻譜望遠(yuǎn)鏡陣列在2012年發(fā)射升空，美國宇航局試圖利用該望遠(yuǎn)鏡探測(cè)宇宙中更多的高能X射線事件。來自達(dá)勒姆大學(xué)星系天文學(xué)研究生喬治-蘭斯伯里認(rèn)為我們已經(jīng)知道塵埃和氣體會(huì)遮擋超大質(zhì)量黑洞，而且持續(xù)的時(shí)間非常長，感謝核頻譜望遠(yuǎn)鏡陣列的強(qiáng)大觀測(cè)能力，讓我們清楚地看到黑洞的活動(dòng)。
盡管本次我們只發(fā)現(xiàn)了五個(gè)超大質(zhì)量黑洞，但如果按照概率學(xué)的計(jì)算，可以推斷宇宙中還有更多隱藏的黑洞未被發(fā)現(xiàn)。核頻譜望遠(yuǎn)鏡陣列科學(xué)家丹尼爾-斯特恩認(rèn)為高能量X射線比低能X射線穿透力更強(qiáng)，能夠穿透厚厚的塵埃，核頻譜望遠(yuǎn)鏡陣列讓我們看到這些隱藏的黑洞有多么龐大，黑洞似乎喜歡將自己隱藏起來，但它們貪婪的吞噬過程又會(huì)“暴露”自己的位置。
NASA發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的超大質(zhì)量黑洞
NASA發(fā)現(xiàn)新黑洞
這個(gè)超大質(zhì)量黑洞的位置是在星系NGC 3115的核心部位，距離地球大約有3200萬光年，雖然最早發(fā)現(xiàn)這個(gè)星系是在1787年，但是真正觀測(cè)到這里有超大質(zhì)量黑洞卻是在1992年，此黑洞質(zhì)量是20億倍太陽。
在本次的研究中，天文學(xué)家利用了NASA的錢德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡、歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）的光學(xué)波段數(shù)據(jù)，合成了清晰程度前所未有的圖像，那些遭受黑洞強(qiáng)大引力牽扯而下落的氣體發(fā)出的輻射，被盡收?qǐng)D中。這使得天文學(xué)家們除了能觀察到黑洞對(duì)熾熱氣體的吞并外，還可反過來了解到物質(zhì)在被黑洞吞噬的過程中的極端反應(yīng)。
黑洞在吞噬在其一定范圍內(nèi)的任何物體，科學(xué)家根據(jù)為黑洞的周圍導(dǎo)出了一個(gè)“值”這個(gè)值就是所謂的邦迪半徑，當(dāng)黑洞吞噬物體的時(shí)候，凡是在這個(gè)值以內(nèi)的氣體就開始下墜。通過X圖像可以證明氣體受黑洞之力開始下墜的時(shí)候，黑洞的強(qiáng)大引力會(huì)讓這些高溫氣體產(chǎn)生非常炙熱的光，科學(xué)家根據(jù)這個(gè)氣體溫度上升計(jì)算出黑洞的距離大約有700光年，這個(gè)距離就是邦迪半徑。
發(fā)現(xiàn)史上最小的超大質(zhì)量黑洞
目前為止最小的超大質(zhì)量黑洞
雖然這樣大小的超大質(zhì)量黑洞非同尋常，但科學(xué)家們表示它們或可能非常常見。“大多數(shù)星系都比較小，雖然我們確定每一個(gè)大型星系中央都存在一個(gè)黑洞，但我們并不確定小星系里是否也同樣如此。”研究合作作者、美國密歇根大學(xué)安娜堡分校的天體物理學(xué)家埃琳娜·加洛（Elena Gallo）這樣說道。“尋找它們非常困難，這也是我們不確定的主要原因。”
“即使（小星系里）存在黑洞，”加洛補(bǔ)充說道，“我們也不知道它們相對(duì)宿主星系的特性是否與大星系里的相同。”RGG 118本身是一個(gè)小星系，這意味著它可能永遠(yuǎn)不會(huì)與其他星系合并，產(chǎn)生我們?cè)谟钪胬镉^察到的那些龐大的結(jié)構(gòu)。
“它們很可能是相對(duì)原始的天體，”加洛在談到小型星系時(shí)這樣說道。這個(gè)矮星系可能是宇宙歷史里早期星系建構(gòu)單元的類比。通過利用麥哲倫望遠(yuǎn)鏡II研究RGG 118里氫的運(yùn)動(dòng)，以及利用錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡觀察星系中央產(chǎn)生的高能X射線，研究人員可以計(jì)算出黑洞的質(zhì)量。
最新發(fā)現(xiàn)將提供矮星系和它們的黑洞之間關(guān)系的新見解。但加洛強(qiáng)調(diào)它們將需要研究至少一個(gè)以上矮星系的黑洞才能得出一般結(jié)論。“這些矮星系以及它們極小的黑洞為我們提供了一個(gè)臨近的實(shí)驗(yàn)室，研究宇宙早期形成黑洞的過程。”
質(zhì)量星系關(guān)系
超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量與其宿主星系的形態(tài)有關(guān)。這顯示了星系球體的質(zhì)量與超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量有著相互的關(guān)聯(lián)。而黑洞的質(zhì)量亦與星系的分散速度有著更緊密的關(guān)系，這個(gè)說法仍處于研究階段。
參考資料
[1]
超級(jí)黑洞現(xiàn)巨大引力 致銀河系中心呈現(xiàn)隆起 · 米爾[引用日期2015-03-15]
[2]
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中到處是黑洞 · 騰訊[引用日期2015-09-16]
[3]
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)目前為止最小的超大質(zhì)量黑洞 · 鳳凰探索[引用日期2015-09-05]
[4]
高清版黑洞照片公開，這次你看清了嗎？ · 今日頭條[引用日期2021-03-24]
[5]
天文學(xué)家公布我們銀河系中心黑洞的首張照片 · 今日頭條-環(huán)球網(wǎng)[引用日期2022-05-13]
相關(guān)合集
銀河系星系核
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銀心
銀河系的中心
人馬座A
銀河系銀心的無線電波源
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