超大质量黑洞一颗天体的质量可以达到数亿到数十亿颗恒星(群星超大质量黑洞怎么找)

十多年前，天文学家首次发现来自超大质量黑洞的X射线准周期震荡信号——“黑洞的心跳“。十多年后，当文学家有机会再次观察黑洞时，他们发现信号仍在继续。该研究由国家天文台高能天体物理团队领导，包括杜伦大学的研究团队，并于6月10日在《皇家天文学会月刊》上发表。

这个特殊的黑洞被命名为RE J1034 396是一个超大质量的黑洞，距离地球6亿光年，太阳质量200万。2007年，科学家利用欧洲宇航局XMM-牛顿卫星首次发现这个黑洞的x射线辐射有大约一个小时的周期性冲击信号。2011年以后，由于黑洞的视线方向靠近太阳，对其心跳信号的监测也停止了。直到2018年，科学家们再次有机会观察这个黑洞。研究小组向欧洲宇航局和美国宇航局申请使用XMM-牛顿卫星、“核光谱望远镜阵列”卫星和“雨燕”卫星，对RE J1034 2018年10月，396联合观测顺利完成了所有观测任务。经过详细的数据分析，该团队最终确认，RE J1034 396x射线震荡信号依然存在，比10年前更强！这是目前观察到的超大质量黑洞心跳信号的最长持续时间。

宇宙中有大量太阳质量上亿的黑洞。电影《星际穿越》“卡刚图雅”黑洞就是这么大的黑洞。漂浮在星际空间中的物质会被黑洞的引力捕捉到。在逐渐落入黑洞的过程中，会形成圆盘结构，在黑洞周围的小空间内释放出大量的能量，产生X射线等强大的高能辐射。然而，这种高能辐射的周期性重复信号很少被发现。这种信号的周期携带了关于黑洞视界附近的物质尺度和结构的关键信息。

据了解，目前已知的黑洞可以产生类似的心跳信号，位于银河系的旋臂内，被称为GRS 1915 105的小黑洞。黑洞的质量只有12个太阳质量，从旁边的一颗恒星迅速吸收物质，大约有67赫兹“心率”产生x射线心跳信号。科学家们通过简单的质量比较来估计RE J1034 396的“理论心率”，发现和“实测心率”很一致。

论文第一作者兼通讯作者金驰川研究员表示:“这个心跳信号很美秒！它首次证明，来自超大质量黑洞的周期性信号可以长期保持稳定，为我们提供了重要的线索和机会，深入研究其物理机制和起源。RE J1034 396也可以成为中国下一代X射线天文卫星，如爱因斯坦探针。

目前，研究团队正在深入分析多颗卫星的数据，以便更好地了解心跳信号的性质，并与银河系中的小质量黑洞进行比较，从而对黑洞视野附近的物理过程有更深入的了解

天文学家有一个新模型来描述这些难以想象的原始宇宙怪物的起源。

超大质量黑洞——一颗天体的质量可以达到数亿到数十亿颗恒星——它是现代天体物理学中最深奥的秘密之一。它们潜伏在大多数大型星系的核心位置，包括我们的银河系。鉴于黑洞在宇宙中无处不在，它们很可能在宇宙的形成和进化中发挥着至关重要的作用。但它们的质量是如何变得如此巨大的，长期以来一直困扰着世界各地的理论物理学家。

哈勃望远镜揭示了我们的宇宙

来源：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

最合理的解释——在过去的几十亿年里，这些可怕的东西通过吞噬大量的气体获得了如此高的质量——这种想法现在也被认为是错误的。最近的观察发现，仅在大爆炸8亿年后，就存在着数十亿太阳质量的黑洞。所以，有一些谜题：它们是如何如此迅速地变得如此高质量的？大多数天体物理学家认为，超大质量的黑洞必须起源于小黑洞“种子”黑洞。他们只是没有就种子有多小达成共识。一种更传统的理论思想“种子”黑洞应该很大——有可能达到数千至数万个太阳质量；另一种理论认为“种子”可能很小——太阳质量可能不到100个。

两个阵营都认同的一个事实是，黑洞是贪婪的捕食者：只有在它旁边有物质开始堆积之后，引力才能把如此多的气体塞进它的胃里，形成又白又热的圆盘，这些圆盘发出强辐射并且把再次即将到来的气体推向远方，这就有效地切断了黑洞的食物供应。这一极限被称为爱丁顿极限，被认为是严重阻碍任何黑洞吞噬物质和膨胀的原因。使用这种小种子模型的优点是，这些次中重量级黑洞相对容易形成；缺点是，当黑洞从次中重量级迅速转变为超重质量级时，必须更多地考虑爱丁顿的限制，并依靠各种可能性来避免其限制。相比之下，大种子模型更符合给超大质量黑洞一个巨大质量的开始，以避免大量吞噬气体带来的爱丁顿极限——但它们的质量越大，就越难形成。巨大的气体云不仅可以倒塌形成大质量的黑洞，还可以破碎成行星组，而不是大质量的黑洞。

无论是支持大种子模型还是小种子模型，“有许多理论试图解释超大质量黑洞的形成和存在，但它们都不能给出令人满意的解释，”东京大学的天体物理学家吉田直树说。吉田直树是大种子理论的支持者。他在《自然》杂志的最新研究中揭示了它们是如何产生早期宇宙并形成大量的超大质量黑洞的。他的“合理解释”它是黑洞质量快速增长的关键催化剂，用于宇宙爆炸后的高速流动气体。具体来说，它取决于快速上升的气体和暗物质之间的相互作用。这种暗物质是一种神秘的无形物质，似乎是星系之间的引力胶。

图片为电脑模拟的，一个星系中心的超大质量黑洞。

形成黑洞

吉田教授与德克萨斯大学奥斯汀分校和图宾根大学的合作伙伴一起，利用计算机模拟技术，通过赋予程序关于宇宙学的参数(如暗物质的密度)，重新创造了早期宇宙的条件，这是天文学家从早期宇宙组成的测量数据中计算出来的。吉田教授说“我们将尝试尽可能接近我们实际观察到的模拟状态，并随着时间的推移演变模拟宇宙。”

根据该团队对模拟宇宙的研究，在宇宙的某些地方，暗物质的能量会在大爆炸中留下高速流动气体中的原始氢和氦。爆炸后，研究人员最近发现，这些早期气体在某些地区加速并达到了一种“不可思议”的速度—或者像吉田教授那样称之为吉田教授“超快风”。吉田教授说“你可以想象，你很难捕捉到它们，因为它们移动得很快。”他说，当你把手放在消防管的喷嘴里时，你的手会被力冲回来。“停止这种超强风的唯一方法就是创造足够强的引力。”他这么说。这些研究人员在早期宇宙中每30亿光年的广阔区域计算一次重力，那里有足够的暗物质来引力这些气体——就像有足够的力量将消防管道中的水推回相反的方向一样。作用于气体和暗物质之间的引力形成一个巨大的气体云，并防止小行星的形成。

这个气体云很大，质量相当于200万太阳，在宇宙中以310公里/秒的速度高速飞行。预计3000万年后将与银河系相撞

来源：Netease

这种模拟气体在倒塌成巨大的星体后继续吞噬更多的气体，直到它达到太阳质量的3400倍。这种假设的大质量恒星只能存在于其成分中，只有氢和氦——在任何恒星爆炸超新星爆炸之前，都会围绕早期宇宙种元素气体产生更重的元素，如碳、氮和氧。以前有人提出过大质量恒星的想法，但这是第一个模拟它的团队。“我们的计算机模拟结果表明，这种现象确实发生了，这种巨大的星体确实可以形成”吉田教授说。当星体达到一定的质量后，会发生坍缩，超大质量的黑洞种子由此产生；他说“黑洞种子是理所当然的，这就是为什么我认为这是最终的答案，至少是黑洞起源的答案”但并不是每个人都同意这一观点

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