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超大质量黑洞（位于星系中心的天体现象）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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超大质量黑洞

位于星系中心的天体现象

超大质量黑洞（英语：Supermassive black hole）是一种黑洞的类型，其质量介于100万倍至100亿倍太阳质量之间。通常相信在包括银河系在内所有星系的中心，都会有一个或数个超大质量黑洞的存在。

基本信息

中文名	超大质量黑洞
外文名	Supermassive black hole
质量	100万倍至100亿倍太阳质量
别名	超重黑洞
分类	黑洞
位置	所有星系的中心

收起

研究发现

可以统治整个星系内的所有天体

超大质量黑洞

天文学家发现每个星系中央都潜伏着一个超大质量黑洞，这个超大质量黑洞距离我们大约2.6万光年，星系中央的超大质量黑洞可以统治整个星系内的所有天体，而科学家正在不断发现质量更大的超级黑洞。

银河系中央的超大质量黑洞位于人马座A中，根据科学家的统计，银河系的中央隆起中包括了大约1百亿颗恒星，跨度达到数千光年左右，其周围存在一些尘埃团和气体结构，使得我们对银河系中央隆起的观测受到了一定的影响。

科学家通过2微米全天巡天计划对银河系中央结构进行探索，初步的调查结果显示隆起形状呈现X形，我们在宇宙其他星系中央隆起结构中也发现了类似的形状。

高分辨率的图像重点对大约200万颗红巨星进行了调查，科学家对它们的属性相对有所了解，通过对这些天体的观测精确计算出它们的距离等参数，由此可以建立起一个关于银河系中央隆起结构的三维模型。

超大质量黑洞

科学家使用MPG / ESO 2.2米望远镜对中央隆起结构进行了研究，对该区域内的恒星系统分布展开观测调查，我们所观察到的银河系中央隆起结构的恒星群似乎以X形演化，紧贴着银河系平面，这些观测结果都符合我们对银河系中央隆起结构的一些判断。

北京时间2021年3月24日晚10点，曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜（EHT）合作组织，又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像。这次，EHT拍摄到了黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像。

2022年5月，在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上，天文学家向人们展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片，该照片由事件视界望远镜（EHT）合作组织国际研究团队，通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。

比较

区别

超大质量黑洞

超大质量黑洞与其他相对较低质量的黑洞比较下，有一些有趣的区别：超大质量黑洞的平均密度可以很低，甚至比空气的密度还要低。这是因为史瓦西半径与其质量成正比，而密度则与体积成反比。由于球体（如非旋转黑洞的事件视界）体积是与半径立方成正比，而质量差不多以直线增长，体积增长率则会更大。故此，密度会随黑洞半径增长而减少，在视界附近的潮汐力会明显的较弱。由于中央引力奇点距离视界很远，若假想一个太空人向黑洞的中央移动时，他不会感受到明显的潮汐力，直至他到达黑洞的深处。

推导过程

史瓦西半径的公式：R=2GM/c^2

G=6.67*10^(-11)，是引力常量

M为天体质量

c=3*10^8m/s光速（应为299792458m/s取近似）

密度公式p=m/v

球体体积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均为常量

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

由于史瓦西半径是形成黑洞天体的最大天体半径，其半径比这个小，半径小体积就会小，质量一定时密度就大，所以史瓦西半径下的黑洞密度最小，也就是上式密度最小，根据上式，密度与质量的平方呈反比，其余皆为常数，所以质量越大的物体密度越小。

如果地球成为黑洞，史瓦西半径R=0.009m，密度p=2.05*10^30kg/m^3

太阳(质量M=2*10^30kg)R=2964m，p=1.83*10^19kg/m^3

20万倍太阳天体M=4*10^35kg,R=6*10^8m,p=4.6*10^8kg/m^3

1g球体：R=1.48*10^(-30)m,p=7.335*10^85kg/m^3

另外受到天体自转等其他影响，这里的史瓦西半径是理想状态，不自转的绝对球体，一般情况下稍有不同（自转，椭球体）。

形成

超大质量黑洞的形成有几个方法

超大质量黑洞

最明显的是以缓慢的吸积（由恒星的大小开始）来形成。另一个方法涉及气云萎缩成数十万太阳质量以上的相对论星体。该星体会因其核心产生正负电子对所造成的径向扰动而开始出现不稳定状态，并会直接在没有形成超新星的情况下萎缩成黑洞。第三个方法涉及了正在核塌缩的高密度星团，它那负热容会促使核心的分散速度成为相对论速度。最后是在大爆炸的瞬间从外压制造太初黑洞。

形成超大质量黑洞条件

形成超大质量黑洞的问题在于如何将足够的物质加入在足够细小的体积内。要做到这个情况，差不多要将物质内所有的角动量移走。向外移走角动量的过程就是限制黑洞膨胀的因素，并会导致形成吸积盘。

根据观测，黑洞的类别有着一些差距。一些从恒星塌缩的黑洞，最多约有10太阳质量。最小的超大质量黑洞约有数十万太阳质量。但却没有在它们之间质量的黑洞。不过，有模型指异常明亮的X射线源有可能是在这个遗失范围的黑洞。

历史

一些星系，如0402+379星系有两个超大质量黑洞，形成一个二元系统。若它们相撞，将会产生强劲的重力波。最新超级计算机模型显示，星系中心超大质量黑洞可能起源于宇宙最早期星系碰撞质量是太阳数百万倍至数十亿倍的超大质量黑洞通常存在于每个星系的中心区域，天文学家现发现超大质量黑洞存在于宇宙形成之初的10亿年内。目前，超级计算机计算显示，宇宙早期超大质量原星系之间的合并为超大质量黑洞的孕育提供了“滋养平台”。宇宙诞生于137亿年前。在宇宙早期，巨型原始星系之间的合并十分普遍，超级计算机模拟显示这种原始星系碰撞合并形成一种不稳定、旋转气体盘状结构，其中的漏斗状气体仅在10万年内就逐渐堆积形成太阳质量1亿多倍的微型气体云。该气体云崩溃形成黑洞，致使该黑洞在大约1亿年里通过从周围盘状结构吸取气体形成太阳10亿倍的质量。此前天文学家曾认为超大质量黑洞、星系和其它巨型星系结构通过逐渐引力吸引宇宙物质，最终形成质量越来越大的星系结构。美国俄亥俄州大学天文学家斯特利奥斯-卡赞特兹迪斯(Stelios Kazantzidis)是该研究报告合著作者之一，他说：“我们的研究结果显示星系和超大质量黑洞在内的较大宇宙结构体在宇宙历史进程中形成时间很短暂。”他指出，这项最新研究对于我们理解黑洞和星系的进化具有更深远的意义。卡赞特兹解释称，依据传统理论，星系的性质和其中心的黑洞质量密切相关，两者处于“平行生长关系”，但这一理论现应当进行修改。在我们的最新超级计算机模型中，黑洞的生长速度快于星系，因此黑洞并不完全受星系的增长所控制。瑞士苏黎世大学天体物理学家卢西奥-梅耶(Lucio Mayer)是该项研究负责人，他指出，该模型的一个重要结论是宇宙最早期的星系中心区域拥有比之前预期更大的超大质量黑洞。这项最新发现将有助天文学家更好地揭开神秘的引力波，依据爱因斯坦的广义相对论，远古星系合并将形成壮观的引力波，所形成的涟漪在时空和太空中的残留部分仍能探测到。目前，这项科学研究发表在8月26日出版的《自然》杂志上。

其它信息

多普勒效应量度

超大质量黑洞

直接量度围绕邻近星系核心的水迈射的多普勒效应，只有在中央高物质密度的情况下，才可以发现很快速的开普勒运动。现时唯一已知可以在细小空间中包含足够物质的是黑洞，或是在天体物理学上很短的时间内将变成黑洞的物体。对于较远的活跃星系，宽谱线的阔度可以用来探测围绕近视界的气体。反射绘图的技术就是利用这些谱线的变化来量度其质量，而黑洞的旋转有可能加速了活跃星系的“引擎”能量。

在很多星系中心的超大质量黑洞被认为是活跃星系（如赛弗特星系及类星体）的「引擎」。马克斯-普朗克太空物理学研究所及洛杉矶加利福尼亚大学基于欧洲南方天文台及凯克天文台的数据，提供了证据指人马座A*就是在银河系中心的超大质量黑洞。根据计算，它可能有260万倍的太阳质量。

银河系以外的超大质量黑洞

于2004年5月，Paolo Padovani及其他天文学家发表他们发现了在银河系以外30个超大质量黑洞。他们的发现令我们知道超大质量黑洞的数量最少是以往所知的两倍。现时相信每一个星系的中央包含一个超大质量黑洞，而它们大部份都处于「不活跃」的状态且吸积不多。相反在球状星团的中央却没有黑洞，不过相信一些如在飞马座的M15及在仙女座星系的Mayall II的中央仍有黑洞，估计质量约有十万倍太阳质量。

一些星系，如0402+379星系中有两个超大质量黑洞，形成一个二元系统。若它们相撞，将会产生强劲的引力波。

隐藏着五个超大质量黑洞

天文学家发现宇宙中隐藏着更多还未发现的超大质量黑洞，一组国际科学家小组利用核频谱望远镜阵列对此前认为是尘埃和气体的物质聚集区进行观测，发现其中隐藏着五个超大质量黑洞，它们释放出高能X射线。本项研究由英国杜伦大学天文学家主导，旨在说明宇宙潜伏着数百万尚无法被发现的超大质量黑洞。本项研究成果在英国皇家天文学会的国家天文学会议上进行了阐述。

核频谱望远镜阵列是美国航天局先进空间望远镜，可对活跃星系中央的高能活动进行监视，在候选的9个超大质量黑洞，科学家已经发现尘埃和气体背后隐藏着质量巨大的黑洞。它们利用这些宇宙物质作为“掩护”，使得我们难以发现它们，但是黑洞吸积物质的行为也暴露了它们的存在，高能X射线可穿透这些尘埃和气体。这也说明宇宙中还有更多类似的地方需要引起注意，黑洞也可能隐藏在背后。

核频谱望远镜阵列在2012年发射升空，美国宇航局试图利用该望远镜探测宇宙中更多的高能X射线事件。来自达勒姆大学星系天文学研究生乔治-兰斯伯里认为我们已经知道尘埃和气体会遮挡超大质量黑洞，而且持续的时间非常长，感谢核频谱望远镜阵列的强大观测能力，让我们清楚地看到黑洞的活动。

尽管本次我们只发现了五个超大质量黑洞，但如果按照概率学的计算，可以推断宇宙中还有更多隐藏的黑洞未被发现。核频谱望远镜阵列科学家丹尼尔-斯特恩认为高能量X射线比低能X射线穿透力更强，能够穿透厚厚的尘埃，核频谱望远镜阵列让我们看到这些隐藏的黑洞有多么庞大，黑洞似乎喜欢将自己隐藏起来，但它们贪婪的吞噬过程又会“暴露”自己的位置。

NASA发现一个新的超大质量黑洞

NASA发现新黑洞

美国航空航天局（NASA）拍摄到了一个超大质量黑洞，这个黑洞当时正在吞噬周围的高温气体。

这个超大质量黑洞的位置是在星系NGC 3115的核心部位，距离地球大约有3200万光年，虽然最早发现这个星系是在1787年，但是真正观测到这里有超大质量黑洞却是在1992年，此黑洞质量是20亿倍太阳。

在本次的研究中，天文学家利用了NASA的钱德拉X射线太空望远镜、欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）的光学波段数据，合成了清晰程度前所未有的图像，那些遭受黑洞强大引力牵扯而下落的气体发出的辐射，被尽收图中。这使得天文学家们除了能观察到黑洞对炽热气体的吞并外，还可反过来了解到物质在被黑洞吞噬的过程中的极端反应。

黑洞在吞噬在其一定范围内的任何物体，科学家根据为黑洞的周围导出了一个“值”这个值就是所谓的邦迪半径，当黑洞吞噬物体的时候，凡是在这个值以内的气体就开始下坠。通过X图像可以证明气体受黑洞之力开始下坠的时候，黑洞的强大引力会让这些高温气体产生非常炙热的光，科学家根据这个气体温度上升计算出黑洞的距离大约有700光年，这个距离就是邦迪半径。

发现史上最小的超大质量黑洞

天文学家利用智利的麦哲伦望远镜II和美国宇航局钱德拉X射线太空望远镜在一个矮星系中央发现了目前为止最小的超大质量黑洞。

目前为止最小的超大质量黑洞

这个位于矮星系RGG 118中央的超大质量黑洞的质量只有太阳的5万倍——相当于同类黑洞的10万分之1。相比之下，银河系中央的超大质量黑洞大约相当于400万至500万个太阳，且它还不算是特别大的超大质量黑洞。

虽然这样大小的超大质量黑洞非同寻常，但科学家们表示它们或可能非常常见。“大多数星系都比较小，虽然我们确定每一个大型星系中央都存在一个黑洞，但我们并不确定小星系里是否也同样如此。”研究合作作者、美国密歇根大学安娜堡分校的天体物理学家埃琳娜·加洛（Elena Gallo）这样说道。“寻找它们非常困难，这也是我们不确定的主要原因。”

“即使（小星系里）存在黑洞，”加洛补充说道，“我们也不知道它们相对宿主星系的特性是否与大星系里的相同。”RGG 118本身是一个小星系，这意味着它可能永远不会与其他星系合并，产生我们在宇宙里观察到的那些庞大的结构。

“它们很可能是相对原始的天体，”加洛在谈到小型星系时这样说道。这个矮星系可能是宇宙历史里早期星系建构单元的类比。通过利用麦哲伦望远镜II研究RGG 118里氢的运动，以及利用钱德拉太空望远镜观察星系中央产生的高能X射线，研究人员可以计算出黑洞的质量。

最新发现将提供矮星系和它们的黑洞之间关系的新见解。但加洛强调它们将需要研究至少一个以上矮星系的黑洞才能得出一般结论。“这些矮星系以及它们极小的黑洞为我们提供了一个临近的实验室，研究宇宙早期形成黑洞的过程。”

质量星系关系

超大质量黑洞的质量与其宿主星系的形态有关。这显示了星系球体的质量与超大质量黑洞的质量有着相互的关联。而黑洞的质量亦与星系的分散速度有着更紧密的关系，这个说法仍处于研究阶段。

参考资料

[1]

超级黑洞现巨大引力致银河系中心呈现隆起 · 米尔[引用日期2015-03-15]

[2]

天文学家发现宇宙中到处是黑洞 · 腾讯[引用日期2015-09-16]

[3]

天文学家发现目前为止最小的超大质量黑洞 · 凤凰探索[引用日期2015-09-05]

[4]

高清版黑洞照片公开，这次你看清了吗？ · 今日头条[引用日期2021-03-24]

[5]

天文学家公布我们银河系中心黑洞的首张照片 · 今日头条-环球网[引用日期2022-05-13]

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