为什么星系中心几乎都有一个黑洞？

yangjia

我知道银河系中心有一个约为太阳质量 200 万倍的黑洞。我最近玩 SpaceEngine 这款沙盒游戏。在我去的几乎所有星系中心几乎都能找到一个黑洞。现实中也是这样吗？怎么产生的呢？
作者：一点资讯

WQEQ

【不知道为啥这个答案得到了很多关注。。。稍微解释一下，这其实是一个比较自娱自乐的补充回答。主要是让我想起了最近看过的论文，想给自己梳理一下。讲得不是很好，而且侧重于“几乎都有一个黑洞”的部分，为什么反倒没有细讲，因为 @蓝胖子feeling 的答案已经很好了。。。】
翻出来一个好久之前的挺有意思的问题。虽然已经有一个很好的回答了，但和这个问题相关的新进展还挺多的，而且细想之下，这个问题可以分出不少层次来，非常适合天体物理科研思路的基本训练：
首先，“都有一个黑洞”。这里“黑洞”的定义要具体一点。一个太阳质量的也算黑洞，十亿个太阳质量的也是黑洞。要是把所有的黑洞都算上，那还真可以说“所有的星系中心都有黑洞”。。。我们银河系中心这种一般叫超大质量黑洞 (SMBH)，按质量粗略分的话要在十万个太阳质量的叫超大质量黑洞，100太阳质量以下的叫恒星级别黑洞，中间的。。就叫中等质量黑洞 (IMBH)。这里不是吹毛求疵，这个定义在后面有用。一般谈星系演化，我们讨论的都是中心的SMBH。
那么：是所有的星系中心都有超大质量黑洞吗? 不是。讨巧的话举个反例就好了，我们银河系附近的一堆矮星系，从大小麦哲伦云开始都没有超大质量黑洞。这些星系的总恒星质量很多只在几百万太阳质量，显然不太可能在中间还有一个大黑洞了。
接下来问题就来了：那么对于一个质量一定的星系，他在中心拥有超大质量黑洞的几率是多少？或者说，存不存在这样一个临界质量，在这个恒星质量之上的星系一定会拥有超大质量黑洞？这两个问题对于星系和黑洞演化都是很重要的，我们把描述星系质量和超大质量黑洞对应关系的函数叫做超大质量黑洞占据比例函数 (Supermassive Black Hole Occupation Fraction)。这个统计描述了给定恒星质量上，多少比例的星系中心至少有一个超大质量黑洞。
说来容易，但是真的去测量这个函数是很难的：首先，你需要把一定距离内一定恒星质量以上的所有星系都选出来 (叫质量完备样本)；然后，你还要进行多波段的观测，确认星系中心是否有SMBH存在。实际观测中要面对非常复杂的选择效应和观测问题，要通过复杂的统计学模型来给出限制。而且目前我们基本只能在我们银河系附近进行这样的观测，但这个函数本身肯定是有很明显的红移演化的。这个比例函数比较好的限制来自Brendan Miller等人2015年的工作。他们对银河系附近30 Mpc以内的早型星系进行了详细的X-ray观测，给出了如下的限制：
图中横坐标就是以10为底对数下的恒星质量，8是一亿太阳质量，10是一百亿太阳质量这样。纵坐标就是对应恒星质量上，SMBH的比例。图中的灰色区域就是给出的限制范围。而带误差棒的数据点，是这些SMBH里面有吸积活动的比例。可以看到在低质量端观测限制还有很大的不确定性。作者用X-ray观测是因为X-ray可以比较明确的判断AGN，也就是正在吸积活动中的SMBH的存在，不太受尘埃气体等的干扰。但即便如此，到了低质量端，大部分的SMBH不太活跃，X-ray光度很低，测量困难，统计改正也变得依赖于模型。
不过，抛开这些问题，让我们暂且假定这个工作是最靠谱的，我们能得到的结论是：

恒星质量越大的星系越有可能拥有SMBH恒星质量一百亿太阳质量以上的星系，几乎一定会在中心拥有一个SMBH而对一亿太阳质量这样的“小”星系，中心拥有SMBH的几率大概是20%左右。但是，你也应该看到，即便对于这些低质量的星系，现有的数据并没有排除他们大部分都有SMBH的可能。观测还需要进一步完善。

那么这个关系是怎么来的？或者说为什么质量一百亿太阳质量以上的星系中心一定会有SMBH？严格来说我们还不清楚答案。SMBH的形成可以说还是个没有解决的问题，尤其是在宇宙早期，年轻星系中心是如何能开始形成这么大质量的黑洞的，我们还很不清楚。但粗略来说，无论最开始的“种子”是怎么来的，SMBH的成长和星系一样，无非就是两个通道：

通过快速吸积周围物质成长：这就需要大量而高效的气体被源源不断地在宇宙早期被输送到星系中央。通过和其他星系中心的SMBH并和成长：这就需要尽可能多地发生星系并和。

这两个过程哪个重要？在宇宙不同阶段扮演的角色如何？我们都还没有搞清楚，但可以肯定的是，在Lambda-CDM宇宙学模型下，宇宙早期密度扰动中越显著的“峰” (peak) 会在后面形成质量越大的暗物质晕，而质量越大的暗物质晕越容易满足上面的两个黑洞成长条件；与此同时，质量越大的暗物质晕内也越可能形成大质量的星系。把这两点综合起来看，就不难理解为什么质量越大的星系中心拥有SMBH的可能性越高了。
换句话说，如果把上面这段废话变成一个数学模型那就是：在高红移，存在着这样一个临界暗物质晕质量 ( )，在这个质量上，暗物质晕内部存在SMBH种子的几率是 :随着这些种子的并和，就可以解释观测到的近邻宇宙的SMBH占据比例了。而最近的 Buchner et al. 2019 就是用这样的模型，结合暗物质数值模拟和星系形成的半解析模型来讨论SMBH的占据比例了。这篇文章的短标题就叫：“SMBH有多常见？”，非常符合本问题。可以看到，即便是现在只能给出下限的观测，已经可以排除掉很多模型空间了。而这样一个模型的重要应用就是可以利用模拟预测近邻宇宙里面SMBH并和事件的频率，为未来的空间引力波观测提供预测。(我个人挺喜欢这论文的，模型非常的”幼稚”，但可以帮你理清思路)
当然，顺着这个问题想下去还可以想很多，比如：那是不是存在着这样的一个恒星质量，在这个恒星质量下面的星系一定不会有SMBH。这里就有咬文嚼字的地方了，我们说了，SMBH的下限是十万太阳质量，那质量比这个小的那些矮椭球星系 (dSph) 估计是不会有SMBH了。但能不能做得更好一点呢？观测告诉我们，星系和黑洞之间有着剪不断，理还乱的复杂共生和限制关系，但星系的恒星质量和中心黑洞质量之间有着一个不错的正比关系。非常粗略的来说，SMBH的质量一般是星系质量的几百分之一吧。保守估计一下，的确是一亿太阳质量以下的矮星系，基本不太可能有中心的超大质量黑洞了。
但是：SMBH和IMBH的质量区分完全是人为硬加上去的，没有背后的物理道理。原则上说，小质量星系的中心依然可能有着质量几千到上万太阳质量的中等质量黑洞。比如另一个回答里提到的近邻矮星系M33。这个质量和我们银河系卫星大麦哲伦星系差不多的家伙中心虽然没有超大质量黑洞存在，但目前我们只能确定，如果它中心也有一个黑洞，这个黑洞的质量不超过1500太阳质量 (Gebhart et al. 2001)。这些IMBH是不是在矮星系中心普遍存在？他们和SMBH的关系是什么？SMBH和“宿主”星系之间的关系在这些更小的黑洞上是否也存在？这些，就进入了星系-黑洞共同演化的最前沿了。这些小质量的黑洞引力作用和吸积能力都比SMBH要弱的多，注定了对他们的搜索会更加困难。
这些IMBH很可能可以帮助我们理解宇宙早期SMBH最开始形成的过程，而其中很多，甚至可能就是宇宙早期气体直接坍缩形成的早期黑洞的“活化石”。这也是为什么IMBH的搜索这么多年一直在慢慢升温。关于这里的细节，我强烈推荐普林斯顿大学 Jenny Greene的综述文章。
Jenny还提交了一篇给美国Astro2020 Decadal Review的“白皮书” (White Paper)，专门论述了为什么未来20年内，对IMBH的研究可以解决很多悬而未决的问题 (同时也带来更多有趣的问题)。在这一轮对IMBH的探索中，下一代地面30米级望远镜以及空间的JWST都将会有非常重要的作用。
星系恒星质量 (横轴) 和中心黑洞质量 (纵轴) 之间的关系以及代表星系。这个关系在低星系恒星质量端 (虚线部分) 是什么样的？是否和大质量段一样？都还是亟待解决的问题。图片来自 Greene 2012。

yongbuzai

这句话不准确，现在的观测证据只表明大质量星系中心几乎都有黑洞，很多矮星系中心并无黑洞存在的证据，比如本星系群里的M33等（其实本星系群里除了银河系，M31和M32之外的其余几乎所有星系中心都没有很强的黑洞证据）, 考虑到矮星系数目比较多，其实很可能大部分(或者至少相当大部分)星系中心都没有黑洞．

虽然如此，　但我们说星系中心普遍存在黑洞是没有错的，这类黑洞一般叫做超大质量黑洞．为什么星系中心会有黑洞呢？

这些超大质量黑洞必然是从质量更小的＂种子黑洞＂成长起来的．理论上，作为超大质量黑洞“种子黑洞”的形成机制主要有两种。一种是第一代大质量恒星的死亡产物，另一种是气体云团的直接塌缩形成。第一代恒星质量可以很大，由于缺少金属元素，气体辐射冷却效率很低使得云团温度较高，导致金斯质量很大，可以形成质量达到几百个太阳质量（M⊙）的恒星。这些大质量恒星演化很快，小于  100M⊙ 和大于260M⊙的恒星死亡之后形成的黑洞接近原初恒星的质量。质量介于两者之间的恒星会形成不稳定对超新星，崩溃式的塌缩不留下任何产物。当然恒星演化模型的细节依旧难以从观测上验证，具体的产物依然存在不确定性，我们姑且假设第一代恒星死亡留下的种子黑洞质量为  100 M⊙。早期宇宙还可能允许气体直接塌缩成黑洞，理论计算和模拟表明，气体直接塌缩成黑洞要求云团满足一些特殊的条件，比如角动量很低、气体密度很高、金属丰度很低等，这在宇宙早期确实相对比较容易满足。

一旦种子黑洞形成，它们必定开始增长，主要靠吸积气体和黑洞并合两种途径。恒星级黑洞如果想通过吸积在几亿年内成长为观测到的几十亿个太阳质量，必须持续的以最大可能的吸积率（爱丁顿吸积率）吸积气体。事实上，黑洞很难保持爱丁顿率连续增长，因为吸积产生的辐射会加热周围的气体，也会产生反馈抑制进一步的吸积。另一种加速黑洞增长的途径是通过多个种子黑洞并合形成一个更大质量的种子黑洞。致密的星团里可能包含多个小种子黑洞，沉积到星团中心并合成一个质量为  10^4 M⊙ 的种子黑洞。相似的，恒星也有可能先通过并合形成一个超巨恒星，然后形成一个更大的种子黑洞。

种子黑洞形成之后，由于动力学摩擦等机制很容易迁移到星系的引力势中心，也就是星系中心，然后通过进一步吸积和并合形成我们今天观测到的超大质量黑洞．

～～～～～～～～～～以上为原答案～～～～～～～～～～

今天我想讲一讲星系中心的超大质量黑洞与它所在的寄主星系之间的关系．

从认知的角度讲，人类是先认知星系，很晚才开始认知黑洞的．我们这里所讨论的超大质量黑洞直到20世纪60年代才以一种比较突然的方式突然出现在人类的认知世界里，在那之前没人想过它们存在．

1960年，美国卡耐基天文台的Alan Sandage（曾经是大名鼎鼎的哈勃的助手）用帕洛玛天文台的５米望远镜发现剑桥射电源列表里存在一类恒星样的天体的光学光谱发射线很奇怪，他以为是一类我们现在还不理解的＂奇异星＂呢．几年后距离Sandage单位仅仅三公里的另一个单位的加州理工学院(美剧生活大爆炸的几个主角就是在这工作)的Maarten Schmidt参透了其中的玄机．他发现这些发射线有个系统的红移，而且红移量还不小，如果这个红移是速度引起的，那这个速度太惊人了简直不可能，于是他断定这个红移是宇宙学红移，这样的话天体离我们就很远，同样这也意味着天体的发光亮度极高,甚至远远超过了银河系所有恒星发光亮度的总合．这类天体被命名为类星体，一直沿用至今．

那么问题就来了，这么类星体这么高的能量释放究竟通过什么物理过程进行的呢？

那是一个英雄辈出的时代，二战之后的那些核物理学家们个个都是破解难题的高手，正愁没地方大显身手呢．很快，前苏联的造原子弹的Zeldovich以及剑桥学派的Lynden-Bell等人提出黑洞吸积靠释放引力能就可以来解决能源危机，只是这个黑洞得超级巨大，比之前所认知的恒星死亡诞生的黑洞大几百万倍甚至更高．尽管有点不可思议，但是基于这种理论诠释的后续研究表明它能解释很多很多观测现象，因而被人逐渐广泛接受．

最早发现的那些类星体其实是包括在剑桥射电源表中的射电星系，后来更多观测发现这些类星体并不一定是（其实大多数不是）强的射电源，但深度的图像观测表明它们基本都有寄主星系，这样就意味着类星体确实是在星系中，至于确认在星系中心那是后来更高分辨率的（如哈勃太空望远镜等）观测逐渐确定的．

好了，现在我们知道类星体就是正在剧烈吸积的超大质量黑洞而且在星系中心．　但是反过来是不是这样呢？　我们可以说星系中心都有超大质量黑洞吗？至少目前来看是 No!

可以说在20世纪90年代之前，人们都还没有证据表明星系中心普遍存在超大质量黑洞．两方面的观测逐渐建立起了这个事实．
１）近邻星系的高分辨率的恒星/气体动力学观测．前期主要是靠90年上天的哈勃太空望远镜，后来随着自适应光学技术的进步，地面大型光学望远镜（如Keck, VLT等）也可以很好的证明黑洞存在并且测出黑洞质量. 这种方法的原理就是建立起星系中心的动力学结构, 发现重构引力场必须要求中心很小区域存在一个很致密的强引力势, 最自然的解释就是超大质量黑洞.
2)近邻星系中心区域的高分辨率光谱观测.主要是通过帕洛玛天文台的5米望远镜对近邻大星系的光谱巡天完成的.主要原理就是,正在吸积物质的黑洞(一般称作活动星系核)会释放大量高能光子,这些光子会电离黑洞周围的气体,气体会产生发射线,通过这些发射线特征我们就能辨认出电离来源,因为黑洞吸积与普通的恒星过程产生的光谱发射线特征是不一样的.

通过以上两方面的观测, 人们发现大星系中心基本都有黑洞. 这里顺便提一下,第二种方法只能探测正在吸积物质的活动的黑洞, 第一种方法则不受这种限制; 然而第一种方法由于受观测分辨率限制只能用来观测非常邻近的星系, 第二种方法则可以窥探到更远的宇宙, 甚至到100多亿光年之前的黑洞. 然而, 人们用这两种方法去探索矮星系中心是否有黑洞时, 发现大部分矮星系中心并无黑洞存在的证据. 比如通过动力学观测本星系群里的M33, NGC205等, 给出的黑洞上限都很低. 当然不能排除这是一种假象, 比如可能由于黑洞比较小, 目前的探测方法不是很有效等.

总之, 随着世纪之交黑洞质量逐渐被测量出来, 人们惊奇的发现, 星系中心不仅普通存在超大质量黑洞, 而且黑洞的质量还和寄主星系的性质息息相关. 比如黑洞质量和寄主星系的核球质量,光度,以及恒星速度弥散等在统计上都有很好的相关性. 这些激动人心的发现促使人们试图建立起两者之间的物理联系,它们的形成与演化历史很可能是紧密耦合的.

有人可能会想, 黑洞是一个巨大的引力势, 星系里恒星围着它转, 黑洞越大, 星系也越大不是理所当然的吗. 其实不然, 虽然黑洞质量巨大, 但是相比星系中恒星分布的广阔尺度, 它所能影响的区域还是太小太小了, 因此它们的联系不可能是靠简单的引力作用建立起来的. 至于究竟是怎样建立起联系的, 至今仍然是个谜, 是当今天文学最热门的研究领域之一.


(未完待续)

rickyckk

从概率论上来讲，星系中心更容易获得物质，有利于巨型恒星和黑洞的形成。
当一个星系中的恒星进入衰老期，发生超新星爆炸时，大量的恒星物质抛向四周，而星系的中心，更容易汇集这些物质，导致出现巨型恒星。
我们了解到，越大的恒星，在寿命终结时由于内部引力更大，越容易形成黑洞，而小质量的恒星，只能形成白矮星和中子星。
另外，当黑洞形成后，还有可能吞噬周围的星体。星系的中心由于物质密集，使得吞噬更为容易，吞噬的质量更多，容易形成大型黑洞。
大型黑洞在霍金蒸发效应上更为缓慢，寿命更长，在时间上保证了它能够吞噬更多的星体。
强者愈强，宇宙法则也是这样。

shichg123

部分是，宇宙大爆炸以后,最初聚集的大团中性氢开始慢慢地收缩，在中心处开始演化出恒星，由于质量巨大，它们仅仅存在了很短的时间便塌缩成黑洞，随后便开始疯狂地吞噬周围的一切，并在两极出现规模极其巨大的物质喷流，这些喷射出去的物质获得了原始星系的角动量并开始围绕中心黑洞运动，成为星系的星系盘，在密度波的影响下逐渐形成旋臂，这些星系盘物质和原来没有被黑洞吞噬的中性氢一起在引力作用下又慢慢产生更年轻的恒星群落，漩涡星系便由此产生。

被超大质量黑洞吞噬的星体发光的物质流。(艺术图)

COSMOS field，蓝色的点显示包含发射高能X射线的超大质量黑洞的星系。

哈勃超深场（HUDF）展示的7个遥远星系。约为大爆炸后的3.5亿年至6亿年之间。

半人马座A彩色合成图像，显示星系中心黑洞发出的喷流。
图片来源NASA，ESO.