科普：超大质量黑洞

ananokok · 发表于 2018-8-31 21:15:53

黑洞长期以来一直是科幻小说的主要内容，是一种具有巨大引力的怪物，甚至光都无法逃脱。

科学家们意识到，黑洞在宇宙演化过程中起着至关重要的作用，它不仅是一种有用的情节装置，提供了前往交替宇宙的机制，同时也庇护着破坏性的生物。

在过去的几十年里，天文学家发现超大质量黑洞，其质量是我们太阳的几百万到几十亿倍，潜伏在几乎所有星系的中心，包括我们的银河系——而且星系质量越大，黑洞越大。

本周，天文学家宣布发现了我们所知的质量最大的黑洞，距离地球3.2亿光年，质量大约是太阳质量的100亿倍。它们位于相对较近的巨型星系中心，这表明这些黑洞的成长与它们所在的星系的成长密切相关，暗示着宇宙间复杂的相互作用。

艺术家对大约100亿太阳质量黑洞周围的恒星环境的印象

修复一个洞

在我们深入探讨黑洞的基本概念之前，理解“黑洞”这个词的真正含义是很重要的。1915年，爱因斯坦发表了他对引力的新描述——广义相对论，他认为涉及的数学太复杂，无法解决。

但一年后，在一战东线服役的德国天文学家、物理学家卡尔·施瓦茨希尔德利用爱因斯坦的方程计算出了一个球形质量球的引力场。

他的数学计算表明，离质量很远的引力与牛顿的预测相吻合，但当你离得越近，引力就会影响空间和时间，事情就会变得有点奇怪。如果质量被压缩在一个特殊的半径内，即所谓的视界，那么质量就会坍缩到一个点，而我们目前在科学上所知道的任何东西都无法阻止它。

质量被锁定在一个奇点中(尽管它在大众科学中几乎是神话般的地位，但它只不过是广义相对论已经崩溃的一个迹象)，隐藏在事件视界之内，质量和光无法逃离。

即使是质量是太阳10亿倍的黑洞，视界也很小，只有太阳系大小的几倍。虽然这听起来可能很大，光穿过这段距离大约需要一年的时间，但相对于整个星系而言，它是很小的，光从一边到另一边需要10万多年的时间。

微小但强大

这种大小对于天文学家来说太小了，看不见，而且从视界中没有发射出任何东西，看起来好像它们是无法探测到的物体。然而，天文学家所能看到的是在超大质量黑洞附近轨道运行的恒星的影响。通过观察它们的巨大速度(每秒数千公里)，他们可以计算出洞里的质量。

所以当天文学家说,他们已经看到一个黑洞,他们的意思是,他们已经“测量大量的质量,从恒星的速度,这质量是集中在一个体积小,在现代科学的和我们知道的唯一对象会有这样奇怪的属性是爱因斯坦的相对论黑洞”。

研究生Nicholas J. McConnell和他的同事本周在《自然》杂志上发表了一篇文章，称他们在距地球只有几亿光年的星系中发现了两个新的超大质量黑洞。

在这样的距离下，我们无法看到星系中的单个恒星，但通过一种被称为积分场光谱的新技术，他们能够测量星系中心附近各个恒星斑块发出的光。

由于它们的极端速度，这片区域内的每颗恒星都会发生多普勒位移，通过观察光谱中的吸收模式，他们可以计算出这个，以及中心质量。结果，每个星系都有一个质量约为100亿个太阳质量的黑洞。

黑洞位于两个星系的中心。我们的太阳系会被这些洞相形见绌

我们应该感到惊讶吗?答案是“不完全是”。正如我一开始提到的，我们看到的每一个大星系似乎都有超大质量的黑洞，星系越大，黑洞越大。这个M-sigma，或者叫Magorrian，关系在十多年前就已经为人所知，随着观测的改善，我们能够观测到的星系越遥远(质量越大)。

一次又一次，超大质量黑洞的质量与它们所在星系的质量密切相关(尽管这两个新黑洞比预期的要重一些)。

这给我们留下了一个问题。超大质量黑洞很小，而星系很大。驱动一方的过程如何影响另一方?答案是我们不知道，但是我们有很多好的想法，关键是反馈。

星系是在气体坍缩时形成的，首先是在星系尺度上，向正在形成的黑洞输送气体，然后通过一系列气体裂解形成数十亿颗恒星。然而，当你向一个黑洞输入气体时，它不会一下子将气体吞下，而是像一个经验丰富的品酒师那样旋转着。

这种即将被吞噬的气体会变得非常热，并将星系中剩余的气体排出体外，有效地阻止了更多恒星的形成。