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潜伏在宇宙中的巨龙超大质量黑洞

2019-03-13 02:14:53

导语:宇宙中存在着超大质量黑洞,它们的增长速度远超人们想象。

关键词:黑洞;质量

宇宙中也许存在着更多更大的黑洞。我们需要一张“地图”吗?(图片来源:ESO/wikimedia, CC BY-SA)

“此地有巨龙”是古代地图用语,它经常与神话图案一起出现,用于标识尚未探索的区域或者可能有危险的地方。也许,天文学家会想借鉴一下这种警示方式,来标记含有超大质量黑洞的星系中心。

我们对黑洞这样的庞然大物知之甚少,科学家甚至还发现了一个违背目前黑洞增长理论的黑洞。这个黑洞以超常的高速增长到很大的质量,这说明宇宙中可能存在着更多更大的超大质量黑洞,远超我们之前的认识。

没有什么神兽

在天文学界,这些流传甚广的“巨龙”并不是什么神话。我们拥有许多证据来证明它们的存在。例如,我们能从遥远星系和类星体的远红外观测结果推断出它们的质量,这就是证据之一,还有,对我们所在银河系的观测同样也能作为证据。

络上有动画会显示出银河系中心附近恒星的轨道。在过去十多年的观测时间里,它们都在围绕着一个黑暗的、看不见的物体转动。

我们可以通过运用与轨道相关的物理知识得出以下结论:这个黑暗的物体的质量一定很大,也许是太阳质量的400多万倍,它的万有引力是形成这些轨道的原因。但它必然会占据一个很小的空间,才不至于“碰到”周围的恒星。只有黑洞才能满足这样的条件,才能解释这个看不见的物体到底是什么。

不过,让人感到困惑的是,这个黑洞在超大质量黑洞中仅仅只能算是中等质量。在其他星系中,人们已发现了多个100亿倍太阳质量的黑洞。

超大质量黑洞的增长

与常见黑洞不同的是,超大质量黑洞并不能简单解释为恒星死亡的产物,它们比任何恒星本身能够产生的质量还要大。那么,它们从何处来?

关于这个问题的理论有很多。其中一种主流的,同时也充满争议的观点就是,它们是由宇宙年轻时候的早期星团“诞生”而来的。从那一刻起,为了获得应有的质量,这些黑洞必须以极快的速度增长。

从某种程度上来说,黑洞增长的来源可以解释为气体的吸积和从星系坠入黑洞中的物质。欧洲南方天文台(European Southern Observatory)近的观测结果显示,银河系中的超大质量黑洞也曾有过这样的质量增长过程。

但这些超大质量黑洞的增长也许并不完全来源于对其所在星系的物质吸积。如果两个星系发生碰撞,它们的黑洞就能获取新的资源以充实自身,甚至还有可能合并为一个更大的黑洞。

这样看来,我们就知道黑洞的增长与其母星系的增长是紧密联系在一起的。超大质量黑洞的质量似乎与寄主星系内恒星运行的速度紧密相关。

在更深的层面上,黑洞能在寄主星系内的恒星形成过程中起到类似恒温器的作用。黑洞产生的能量和/或动量可以终止其寄主星系内的恒星形成过程。这是由于这些能量使得星系内的气体升温,从而干扰了恒星的形成。

由B F Da Costa 绘制的雷诺克斯世界地图。图片来源: Karrigara/wikimedia commons, CC BY-SA

CID-947的逆袭

在《科学》(Science)杂志发表的一项研究中,天文学家报告称,他们发现的一个超大质量黑洞打破了星系增长与黑洞增长之间的同步关系。

笔者使用夏威夷凯克望远镜(Keck telescope)发现了一个星系,在它的中心(CID-947)有一个大得异乎寻常的超大质量黑洞。它的黑洞质量与星系质量之比十分巨大,几乎比通常情况大了一个数量级。

这个超大质量黑洞的质量是太阳质量的70亿倍,与人类已知的质量不相上下。有趣的是,在使用红移测量这个星系与我们之间的距离(由此还可测得它的年龄)时,研究团队可以看出,这个超大质量黑洞曾以非常快的速度增长。在大多数模型对同样年龄的星系所做的预测中,星系内的黑洞质量都处于百万倍太阳质量的范围之内,而不是CID-947这样的十亿倍太阳质量。

同时,这个星系仍处于恒星形成阶段,而它所包含的黑洞还没有终止这个过程。这个研究的结论是,CID-947处的黑洞正处于形成期的阶段,我们正在目睹其吸积过程的终结。

这一点至关重要,因为CID-947可被视为目前宇宙中(极大)质量星系的早期版本。

潜伏在宇宙中的巨龙超大质量黑洞

这是因为,如果现在的宇宙中存在巨大的星系,它们一定是来自宇宙早期的大质量物体。重要的是,它们正处于早期阶段,并且还没有终止其寄主星系的恒星形成过程,这意味着它们将随着时间的推移变得更大。

换句话说,宇宙中也许潜伏着更多更大的“巨龙”。随着探索范围的不断拓宽,也许有朝一日人类就能绘制出一张“地图”,把宇宙中的黑洞清楚地标注出来。

关于作者:

Kevin Pimbblet,赫尔大学(University of Hull)物理学高级讲师。作者与任何可能从本文获益的公司或组织无关。

(翻译:范俊;审校:侯政坤 )

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