超大質量黑洞

1. 恆星級黑洞和超大質量黑洞在尺度上有何區別

其實黑洞大小的區別主要體現在三個方面：

• 總質量

• 總電荷數

• 總角速度

1973年霍金、卡特爾（B. Carter）等人嚴格證明了「黑洞無毛定理」：「無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量（質量、角動量、電荷）惟一確定」。即當黑洞形成之後，只剩下這三個不能變為電磁輻射的守恆量，其他一切信息（「毛發」）都喪失了，黑洞幾乎沒有形成它的物質所具有的任何復雜性質，對前身物質的形狀或成分都沒有記憶。 於是「黑洞」的術語發明家惠勒戲稱這特性為「黑洞無毛」。

對於物理學家來說，一個黑洞或一塊方糖都是極為復雜的物體，因為對它們的完整描述，即包括它們的原子和原子核結構在內的描述，需要有億萬個參量。與此相比，一個研究黑洞外部的物理學家就沒有這樣的問題。黑洞是一種極其簡單的物體，如果知道了它的質量、角動量和電荷，也就知道了有關它的一切。黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何復雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶，它保持的只是質量、角動量、電荷。消繁歸簡或許是黑洞最基本的特徵。有關黑洞的大多數術語的發明家約克·惠勒，在60年前把這種特徵稱為「黑洞無毛」。

2. 超大質量黑洞的形成

形成超大質量黑洞的問題在於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制黑洞膨脹的因素，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范圍的黑洞。 直接量度圍繞鄰近星系核心的水邁射的多普勒效應，只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。對於較遠的活躍星系，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。
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於歐洲南天文台及凱克天文台的數據，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。 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注意，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，美國宇航局試圖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-蘭斯伯里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。
盡管本次我們只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麼龐大，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。 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，這對於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。
這個超大質量黑洞的位置是在星系NGC 3115的核心部位，這里距離地球大約有3200萬光年，雖然最早發現這個星系是在1787年，但是真正觀測到這里有超大質量黑洞卻是在1992年，此黑洞質量是20億倍於太陽，你完全無法想像它有多大。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）的光學波段數據，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范圍內的任何物體，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注，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，每年會有相當於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。 北京時間8月14日消息，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。
這個位於矮星系RGG118中央的超大質量黑洞的質量只有太陽的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於400萬至500萬個太陽，且它還不算是特別大的超大質量黑洞。
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裡是否也同樣如此。」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（小星系裡）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性是否與大星系裡的相同。」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，產生我們在宇宙里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里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里氫的運動，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。」

3. 宇宙大爆炸後不久的超大質量黑洞是如何產生的

根據經典理論，超大質量黑洞並沒有足夠時間在年輕的宇宙中發展。然而，觀測結果表明它們在大爆炸後8億年時就已經存在。SISSA的一項新研究對這個有趣的問題提出了新的解

研究人員的分析開始於一個廣為人知的觀測證據：超大質量黑洞的成長發生在星系的中心區域。在今天橢圓星系的前身內部，有著非常高的氣體含量，恆星的形成非常劇烈。最大的恆星壽命很短，很快就會演化成恆星黑洞，其質量相當於幾十個太陽；它們很小，但在這些星系中形成了許多，環繞這些黑洞的稠密氣體具有非常強大的動摩擦效應，起著決定性的作用，導致它們迅速遷移到星系中心。大多數到達中心區域的黑洞會合並，產生超大質量黑洞的“種子”。

根據經典理論，一個超大質量黑洞成長於星系中心，它不斷捕獲周圍物質，主要是氣體，使其不斷“增長”，最後以與質量成比例的節奏將其吞噬。因此，在發展的最初階段，當黑洞的質量較小時，它的增長是非常緩慢的。根據計算，要達到已觀測到的太陽質量的數十億倍，需要很長的時間，甚至比年輕宇宙本身的年齡還要大。然而，這項新研究的結果表明，超大質量黑洞的成長過程可能會比之前認為的快得多。

4. 超大質量黑洞是怎麼形成的

超大質量黑洞是黑洞的一種，其質量是
10
^5
至
10
^9
倍的太陽質量。現時一般相信，在所有的星系的中心（包括銀河系的中心在內）都會有超大質量黑洞。
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。
另一個方法涉及星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。最後是在大爆炸的瞬間從外壓製造原生黑洞。
形成超大質量黑洞的問題在於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制黑洞膨脹的因素，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，最多有10倍太陽質量。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的中介質量黑洞。不過，有模型指異常明亮的X射線源有可能是在這個遺失范圍的黑洞。

5. 超大質量黑洞吞噬耀眼恆星，黑洞究竟有多恐怖

黑洞也是一種宇宙天體，不過黑洞裡面幾乎不適用任何物理學，這可以意味著黑洞裡面沒有體積，也沒有空間、時間概念，從這點來看，黑洞已經夠恐怖了。

宇宙存在太多奧妙，而宇宙會不會是解析宇宙奧妙的重要天體呢？這里覺得黑洞存在這種可能。黑洞確實很恐怖，不過也帶給人們很多聯想，這些可能需要用到哲學來解析。

6. 超大質量黑洞的比較

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
由於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，這里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）。

7. 7億光年外發現目前最大的超大質量黑洞，這個「大」的概念具體是多大

實際上，有這樣的發現沒有什麼稀奇的，因為宇宙之大，真的是無奇不有。1995年，哈勃深空場曾經找到天球中最暗的一個區域，也就是下面用黃色線標出來的地方，然後來一波長達10天的曝光。當時，很多天文學家就納悶了，這是要幹嘛？太奢侈浪費了。畢竟哈勃望遠鏡的資源珍貴，大家都搶著用。

除了TON 618，科學還發現了一個編號為S5 0014 + 81的類星體，同樣具有一個超大質量的黑洞，這個超大質量的黑洞大概擁有400億倍太陽質量。即使我們把整個太陽系和這個黑洞相比，那也就只是一個點而已。

8. 聚焦超大質量黑洞是如何形成的

科學新聞網站報道，目前，美國、英國和芬蘭科學家組建一支國際研究小組提出了宇宙早期超大質量黑洞的「形成公式」。
通常情況下，超大質量黑洞位於銀河系等大量星系中心區域，這種類型黑洞如何誕生困擾了天體物理學家許多年，都林林城市大學研究人員約翰-里根(John Regan)和同事設計了一個理論模型，通過使用鄰近星系的放射線作為形成超大質量黑洞種子的催化劑，提出了一個特殊的解決方案。
里根博士說：「理解超大質量黑洞如何形成有助於揭曉星系的形成和進化，最終揭曉更多宇宙相關的信息。」在計算機模擬實驗中，里根和同事指出，如果一個鄰近原星系噴射大量放射線，轉換其形成恆星的能力，超大質量黑洞能夠在原星系中心快速生長。
原星系將逐漸生長，直至最終崩潰形成吞噬殘留氣體的黑洞，科學家解釋稱，當原星系彼此接近時，一個原星系強大輻射場將對其它原星系殺菌，使其無法形成恆星。殺菌之後的星系繼續生長至較大質量，不可避免地快速達到形成超大質量黑洞的臨界閾值。
之後超大質量黑洞繼續收集其它黑洞和恆星半徑范圍的任何物質，他們指出，這種貪婪的方法使其質量增長了近100萬倍。鄰近星系不能較近接觸，也不能過於遠離，就像宜居地帶法則一樣，不能過熱也不能過冷。
美國哥倫比亞大學卓爾坦-海曼(Zoltan Haiman)教授稱，該星系崩潰和形成質量是太陽數百萬倍的黑洞用了10萬年時間，這在宇宙進化歷程中僅是一瞬間，之後經歷數億年時間，黑洞逐漸生長成數十億倍太陽質量的超大質量黑洞，這種快速生長遠超出之前科學家的預期。目前，這項最新研究報告發表在近期出版的《自然天文學雜志》上。
研究人員希望2018年美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠鏡能夠測試驗證這一理論，傳送早期宇宙的圖像數據。（悠悠/編譯）

9. 什麼是大質量黑洞

我們到達了宇宙演化史上出現能夠實際看到的分立天體的時間點。甚至在最早的恆星出現之前，物質收縮形成星系的過程就已經開始。哈勃太空望遠鏡的深空圖像揭示出大爆炸後7億年時的星系景象--它們看上去與在我們附近的天體不同。許多都較小，而且有各式各樣奇怪而美妙的形狀，有些裡面還有大質量黑洞。佔主導地位的是神秘的類星體，現在知道這種能量源是非常活躍的星系核，其光度等效於幾千個銀河系。因為它們如此明亮，所以可以從很遠的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相當年輕的那些日子。

在這些星系的中心，甚至在很早的階段就存在著數百萬太陽質量的超大質量黑洞。就像我們前面提到過的，它們可能直接由坍縮的氣體形成，也可能是大質量恆星的殘余又吸附了大量的額外物質而形成的。無論如何，這一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能夠吸引龐大數量的物質。

看來在星系形成的早期，當恆星剛開始形成時，有大量的塵埃和氣體存在。這些物質的存在為黑洞提供了燃料，並向內旋轉形成圓盤狀。這時，它所發出的光線分成多個束流，當我們沿著其中一束的方向看過去時，就看到了被稱作類星體的威力巨大的信標。在宇宙演化的這個早期階段，這些原始星系之間的碰撞是很平常的。而當兩個星系合並時，新的物質被吸入一個或幾個黑洞中，類星體發出閃亮。實際上，所有大質量星系，包括我們的銀河系，在演化過程中都經歷過類星體的階段。而近來對某些類星體的研究發現，在其他方面它們就是普通星系。當燃料最終耗盡時，星系就穩定下來。

這個在地球軌道上運行的天文台將望遠鏡指向了一塊以前從未引起過任何興趣的天空。長達100萬秒（略長於11天）的極端長時間曝光使得來自最暗。

10. 超大質量黑洞是如何形成的這種黑洞壽命多長

超大質量黑洞，早在宇宙大爆炸時期應該就已經出現；它們是奇點膨脹之後，時空對維度的擠壓之後形成的；這種黑洞，目前學術界並沒有得到有關於它們“壽命”的結論。

我們都知道，黑洞，可謂是目前可觀測宇宙內，人類發現的最恐怖，最讓人談之色變的天體之一。黑洞，擁有著無與倫比的破壞力，龐大到無以復加的可怕吞噬能力；因此，任何物質，在史瓦西半徑內，都無法擺脫黑洞的束縛。

那麼，這種黑洞的壽命有多長呢？現在還沒有一個確切的結果。畢竟，它們都已經存在了一百多億年了；天知道它們還能活多久。