超大質量黑洞

超大質量黑洞

超大質量黑洞是一種黑洞,其質量是100萬倍至100億倍的太陽質量。發現時一般相信,在所有的星系的銀心,包括銀河系在內,都會有超大質量黑洞。

  • 中文名稱
    超大質量黑洞
  • 質量
    100萬倍至100億倍的太陽質量
  • 位置
    所有的星系包括銀河系的銀心
  • 平均密度
    很低,甚至低于空氣的密度
  • 天體稱呼
    巨隆洞

可以統治整個星系內的所有天體

2014年5月21日訊息,據媒體報道,天文學家發現每個星系中央都潛伏著一個超大質量黑洞,這個超大質量黑洞距離我們大約2.7萬光年,星系中央的超大質量黑洞可以統治整個星系內的所有天體,而科學家正在不斷發現質量更大的超級黑洞。

超大質量黑洞

銀河系中央的超大質量黑洞位于人馬座A*方向上,根據科學家的統計,銀河系的中央隆起中包括了大約1百億顆恆星,跨度達到數千光年左右,其周圍存在一些塵埃團和氣體結構,使得我們對銀河系中央隆起的觀測受到了一定的影響。

科學家通過2MASS巡天計畫對銀河系中央結構進行探索,初步的調查結果顯示隆起形狀呈現X形,我們在宇宙其他星系中央隆起結構中也發現了類似的形狀。

高解析度的圖像重點對大約200萬顆紅巨星進行了調查,科學家對它們的屬性相對有所了解,通過對這些天體的觀測精確計算出它們的距離等參數,由此可以建立起一個關于銀河系中央隆起結構的三維模型。

科學家使用MPG / ESO 2.2米望遠鏡對中央隆起結構進行了研究,對該區域內的恆星系統分布展開觀測調查,我們所觀察到的銀河系中央隆起結構的恆星群似乎以X形演化,緊貼著銀河系平面,這些觀測結果都符合我們對銀河系中央隆起結構的一些判斷。

比較

區別

超大質量黑洞與其他相對較低質量的黑洞比較下,有一些有趣的區別:超大質量黑洞的平均密度可以很低,甚至比空氣的密度還要低。

超大質量黑洞 超大質量黑洞

原因

這是因為史瓦西半徑是與其質量成正比,而密度則是與體積成反比。由于球體(如非旋轉黑洞的視界)的體積是與半徑的立方成正比,而質量差不多以直線成長,體積的成長率則會更大。故此,密度會隨黑洞半徑的成長而減少。在視界附近的潮汐力會明顯的較弱。由于中央引力奇點距離視界很遠,若假想一個太空人向黑洞的中央移動時,他不會感受到明顯的潮汐力,直至他到達黑洞的深處。

推導過程

史瓦西半徑的公式:R=2GM/c^2

G=6.67*10^(-11),是引力常量

M為天體質量

c=3*10^8m/s光速(應為299792458m/s取近似)

密度公式p=m/v

球體體積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均為常量

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

由于史瓦西半徑是形成黑洞天體的最大天體半徑,其半徑比這個小,半徑小體積就會小,質量一定時密度就大,所以史瓦西半徑下的黑洞密度最小,也就是上式密度最小,根據上式,密度與質量的平方呈反比,其餘皆為常數,所以質量越大的物體密度越小。

如果地球成為黑洞,史瓦西半徑R=0.009m,密度p=2.05*10^30kg/m^3

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

20萬倍太陽天體M=4*10^35kg,R=6*10^8m,p=4.6*10^8kg/m^3

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

另外受到天體自轉等其他影響,這裏的史瓦西半徑是理想狀態,不自轉的絕對球體,一般情況下稍有不同(自轉,橢球體)。

形成

超大質量黑洞的形成有幾個方法

最明顯的是以緩慢的吸積(由恆星的大小開始)來形成。另一個方法涉及氣雲萎縮成數十萬太陽質量以上的相對論星體。該星體會因其核心產生正負電子對所造成的徑向擾動而開始出現不穩定狀態,並會直接在沒有形成超新星的情況下萎縮成黑洞。第三個方法涉及了正在核塌縮的高密度星團,它那負熱容會促使核心的分散速度成為相對論速度。最後是在大霹靂的瞬間從外壓製造太初黑洞

超大質量黑洞超大質量黑洞

形成超大質量黑洞條件

形成超大質量黑洞的問題在于如何將足夠的物質加入在足夠細小的體積內。要做到這個情況,差不多要將物質內所有的角動量移走。向外移走角動量的過程就是限製黑洞膨脹的因素,並會導致形成吸積盤

根據觀測,黑洞的類別有著一些差距。一些從恆星塌縮的黑洞,最多約有10太陽質量。最小的超大質量黑洞約有數十萬太陽質量。但卻沒有在它們之間質量的黑洞。不過,有模型指異常明亮的X射線源有可能是在這個遺失範圍的黑洞。

歷史

一些星系,如0402+379星系有兩個超大質量黑洞,形成一個二元系統。若它們相撞,將會產生強勁的重力波。最新超級電腦模型顯示,星系中心超大質量黑洞可能起源于宇宙最早期星系碰撞質量是太陽數百萬倍至數十億倍的超大質量黑洞通常存在于每個星系的中心區域,天文學家現發現超大質量黑洞存在于宇宙形成之初的10億年內。目前,超級電腦計算顯示,宇宙早期超大質量原星系之間的合並為超大質量黑洞的孕育提供了"滋養平台"。宇宙誕生于137億年前。在宇宙早期,巨型原始星系之間的合並十分普遍,超級電腦模擬顯示這種原始星系碰撞合並形成一種不穩定、旋轉氣體盤狀結構,其中的漏鬥狀氣體僅在10萬年內就逐漸堆積形成太陽質量1億多倍的微型氣體雲。該氣體雲崩潰形成黑洞,致使該黑洞在大約1億年裏通過從周圍盤狀結構吸取氣體形成太陽10億倍的質量。此前天文學家曾認為超大質量黑洞、星系和其它巨型星系結構通過逐漸引力吸引宇宙物質,最終形成質量越來越大的星系結構。美國俄亥俄州大學天文學家斯特利奧斯-卡贊特茲迪斯(Stelios Kazantzidis)是該研究報告合著作者之一,他說:"我們的研究結果顯示星系和超大質量黑洞在內的較大宇宙結構體在宇宙歷史進程中形成時間很短暫。"他指出,這項最新研究對于我們理解黑洞和星系的進化具有更深遠的意義。卡贊特茲解釋稱,依據傳統理論,星系的性質和其中心的黑洞質量密切相關,兩者處于"平行生長關系",但這一理論現應當進行修改。在我們的最新超級電腦模型中,黑洞的生長速度快于星系,因此黑洞並不完全受星系的成長所控製。瑞士蘇黎世大學天體物理學家盧西奧-梅耶(Lucio Mayer)是該項研究負責人,他指出,該模型的一個重要結論是宇宙最早期的星系中心區域擁有比之前預期更大的超大質量黑洞。這項最新發現將有助天文學家更好地揭開神秘的引力波,依據愛因斯坦的廣義相對論,遠古星系合並將形成壯觀的引力波,所形成的漣漪在時空和太空中的殘留部分仍能探測到。目前,這項科學研究發表在8月26日出版的《自然》雜志上。

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多普勒效應量度

直接量度圍繞鄰近星系核心的水邁射的多普勒效應,隻有在中央高物質密度的情況下,才可以發現很快速的開普勒運動。現時唯一已知可以在細小空間中包含足夠物質的是黑洞,或是在天體物理學上很短的時間內將變成黑洞的物體。對于較遠的活躍星系,寬譜線的闊度可以用來探測圍繞近視界的氣體。反射繪圖的技術就是利用這些譜線的變化來量度其質量,而黑洞的旋轉有可能加速了活躍星系的「引擎」能量。

超大質量黑洞超大質量黑洞

在很多星系中心的超大質量黑洞被認為是活躍星系(如賽弗特星系及類星體)的「引擎」。馬普地外物理研究所及洛杉磯加利福尼亞大學基于歐洲南天文台及凱克天文台的資料,提供了證據指人馬座A*就是在銀河系中心的超大質量黑洞。根據計算,它可能有260萬倍的太陽質量。

銀河系以外的超大質量黑洞

于2004年5月,Paolo Padovani及其他天文學家發表他們發現了在銀河系以外30個超大質量黑洞。他們的發現令我們知道超大質量黑洞的數量最少是以往所知的兩倍。現時相信每一個星系的中央包含一個超大質量黑洞,而它們大部份都處于「不活躍」的狀態且吸積不多。相反在球狀星團的中央卻沒有黑洞,不過相信一些如在飛馬座的M15及在仙女座星系的Mayall II的中央仍有黑洞,估計質量約有104的太陽質量。

隱藏著五個超大質量黑洞

天文學家發現宇宙中隱藏著更多還未發現的超大質量黑洞,一組國際科學家小組利用核頻譜望遠鏡陣列對此前認為是塵埃和氣體的物質聚集區進行觀測,發現其中隱藏著五個超大質量黑洞,它們釋放出高能X射線。本項研究由英國杜倫大學天文學家主導,旨在說明宇宙潛伏著數百萬我們無法發現的超大質量黑洞。本項研究成果在英國皇家天文學會的國家天文學會議上進行了闡述。

核頻譜望遠鏡陣列是美國宇航局先進空間望遠鏡,可對活躍星系中央的高能活動進行監視,在候選的9個超大質量黑洞,科學家已經發現塵埃和氣體背後隱藏著質量巨大的黑洞。它們利用這些宇宙物質作為"掩護",使得我們難以發現它們,但是黑洞吸積物質的行為也暴露了它們的存在,高能X射線可穿透這些塵埃和氣體。這也說明宇宙中還有更多類似的地方需要引起註意,黑洞也可能隱藏在背後。

核頻譜望遠鏡陣列在2012年發射升空,美國宇航局嘗試利用該望遠鏡探測宇宙中更多的高能X射線事件。來自達勒姆大學星系天文學研究生喬治-蘭斯伯裏認為我們已經知道塵埃和氣體會遮擋超大質量黑洞,而且持續的時間非常長,感謝核頻譜望遠鏡陣列的強大觀測能力,讓我們清楚地看到黑洞的活動。

盡管本次我們隻發現了五個超大質量黑洞,但如果按照概率學的計算,可以推斷宇宙中還有更多隱藏的黑洞未被發現。核頻譜望遠鏡陣列科學家丹尼爾-斯特恩認為高能量X射線比低能X射線穿透力更強,能夠穿透厚厚的塵埃,核頻譜望遠鏡陣列讓我們看到這些隱藏的黑洞有多麽龐大,黑洞似乎喜歡將自己隱藏起來,但它們貪婪的吞噬過程又會暴露自己的位置。

NASA發現一個新的超大質量黑洞

近日有美國媒體CBS報道,美國航空航天局(NASA)拍攝到了一個超大質量黑洞,這個黑洞當時正在吞噬周圍的高溫氣體,觀測人員非常激動,他們說這是我們首次在X波段拍到如此清晰的天文現象,而且還是超大質量黑洞正在吞噬周圍氣體的場景,這對于人類對黑洞吞噬其他物體的認識又進了一步,也對我們研究黑洞這種物體有很大的幫助。

NASA發現新黑洞NASA發現新黑洞

這個超大質量黑洞的位置是在星系NGC 3115的核心部位,這裏距離地球大約有3200萬光年,雖然最早發現這個星系是在1787年,但是真正觀測到這裏有超大質量黑洞卻是在1992年,此黑洞質量是20億倍于太陽,你完全無法想象它有多大。是目前為止我們發現最大的黑洞。

在本次的研究中,天文學家利用了NASA的錢德拉X射線太空望遠鏡、歐洲南方天文台的甚大望遠鏡(VLT)的光學波段資料,合成了清晰程度前所未有的圖像,那些遭受黑洞強大引力牽扯而下落的氣體發出的輻射,被盡收圖中。這使得天文學家們除了能觀察到黑洞對熾熱氣體的吞並外,還可反過來了解到物質在被黑洞吞噬的過程中的極端反應。

說到黑洞就不得不說那個神秘的"邦迪半徑"區域,黑洞在吞噬在其一定範圍內的任何物體,科學家根據為黑洞的周圍導出了一個"值"這個值就是所謂的邦迪半徑,當黑洞吞噬物體的時候,凡是在這個值以內的氣體就開始下墜。通過X圖像可以證明氣體受黑洞之力開始下墜的時候,黑洞的強大引力會讓這些高溫氣體產生非常炙熱的光,科學家根據這個氣體溫度上升計算出距離黑洞的距離大約有700光年,這個距離就是邦迪半徑。

這次超大質量黑洞引起美國天文界的關註,他們也證明了這個黑洞的質量是太陽的20億倍,通過多年觀測,每年會有相當于2%太陽質量的氣體被這些黑洞的引力吸引到"邦迪半徑"內,然後這些物質都將被超大質量黑洞吞噬。

發現史上最小的超大質量黑洞

台北時間8月14日訊息,據洛杉磯時報報道,近日天文學家利用智利的麥哲倫望遠鏡II和美國宇航局錢德拉X射線太空望遠鏡在一個矮星系中央發現了目前為止最小的超大質量黑洞。

這個位于矮星系RGG118中央的超大質量黑洞的質量隻有太陽的5萬倍--比同類黑洞大約小了10萬倍。相比之下,銀河系中央的超大質量黑洞大約相當于400萬至500萬個太陽,且它還不算是特別大的超大質量黑洞。

目前為止最小的超大質量黑洞目前為止最小的超大質量黑洞

雖然這樣大小的超大質量黑洞非同尋常,但科學家們表示它們或可能非常常見。"大多數星系都比較小,雖然我們確定每一個大型星系中央都存在一個黑洞,但我們並不確定小星系裏是否也同樣如此。"研究合作作者、美國密歇根大學安娜堡分校的天體物理學家埃琳娜·加洛(Elena Gallo)這樣說道。"尋找它們非常困難,這也是我們不確定的主要原因。"

"即使(小星系裏)存在黑洞,"加洛補充說道,"我們也不知道它們相對宿主星系的特徵是否與大星系裏的相同。"RGG 118本身是一個小星系,這意味著它可能永遠不會與其他星系合並,產生我們在宇宙裏觀察到的那些龐大的結構。

"它們很可能是相對原始的天體,"加洛在談到小型星系時這樣說道。這個矮星系可能是宇宙歷史裏早期星系建構單元的類比。通過利用麥哲倫望遠鏡II研究RGG 118裏氫的運動,以及利用錢德拉太空望遠鏡觀察星系中央產生的高能X射線,研究人員可以計算出黑洞的質量。

最新發現將提供矮星系和它們的黑洞之間關系的新見解。但加洛強調它們將需要研究至少一個以上矮星系的黑洞才能得出一般結論。"這些矮星系以及它們極小的黑洞為我們提供了一個臨近的實驗室,研究宇宙早期形成黑洞的過程。"

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