超大质量黑洞

1. 恒星级黑洞和超大质量黑洞在尺度上有何区别

其实黑洞大小的区别主要体现在三个方面：

• 总质量

• 总电荷数

• 总角速度

1973年霍金、卡特尔（B. Carter）等人严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）惟一确定”。即当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。 于是“黑洞”的术语发明家惠勒戏称这特性为“黑洞无毛”。

对于物理学家来说，一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与此相比，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就知道了有关它的一切。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒，在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。

2. 超大质量黑洞的形成

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。 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」。马普地外物理研究所及洛杉矶加利福尼亚大学基于欧洲南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。 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我们无法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宇航局先进空间望远镜，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。 近日有美国媒体CBS报道，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，观测人员非常激动，他们说这是我们首次在X波段拍到如此清晰的天文现象，而且还是超大质量黑洞正在吞噬周围气体的场景，这对于人类对黑洞吞噬其他物体的认识又进了一步，也对我们研究黑洞这种物体有很大的帮助。
这个超大质量黑洞的位置是在星系NGC 3115的核心部位，这里距离地球大约有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20亿倍于太阳，你完全无法想象它有多大。是目前为止我们发现最大的黑洞。
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。
说到黑洞就不得不说那个神秘的“邦迪半径”区域，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距离黑洞的距离大约有700光年，这个距离就是邦迪半径。
这次超大质量黑洞引起美国天文界的关注，他们也证明了这个黑洞的质量是太阳的20亿倍，通过多年观测，每年会有相当于2%太阳质量的气体被这些黑洞的引力吸引到“邦迪半径”内，然后这些物质都将被超大质量黑洞吞噬。 北京时间8月14日消息，据洛杉矶时报报道，近日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。
这个位于矮星系RGG118中央的超大质量黑洞的质量只有太阳的5万倍——比同类黑洞大约小了10万倍。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。”

3. 宇宙大爆炸后不久的超大质量黑洞是如何产生的

根据经典理论，超大质量黑洞并没有足够时间在年轻的宇宙中发展。然而，观测结果表明它们在大爆炸后8亿年时就已经存在。SISSA的一项新研究对这个有趣的问题提出了新的解

研究人员的分析开始于一个广为人知的观测证据：超大质量黑洞的成长发生在星系的中心区域。在今天椭圆星系的前身内部，有着非常高的气体含量，恒星的形成非常剧烈。最大的恒星寿命很短，很快就会演化成恒星黑洞，其质量相当于几十个太阳；它们很小，但在这些星系中形成了许多，环绕这些黑洞的稠密气体具有非常强大的动摩擦效应，起着决定性的作用，导致它们迅速迁移到星系中心。大多数到达中心区域的黑洞会合并，产生超大质量黑洞的“种子”。

根据经典理论，一个超大质量黑洞成长于星系中心，它不断捕获周围物质，主要是气体，使其不断“增长”，最后以与质量成比例的节奏将其吞噬。因此，在发展的最初阶段，当黑洞的质量较小时，它的增长是非常缓慢的。根据计算，要达到已观测到的太阳质量的数十亿倍，需要很长的时间，甚至比年轻宇宙本身的年龄还要大。然而，这项新研究的结果表明，超大质量黑洞的成长过程可能会比之前认为的快得多。

4. 超大质量黑洞是怎么形成的

超大质量黑洞是黑洞的一种，其质量是
10
^5
至
10
^9
倍的太阳质量。现时一般相信，在所有的星系的中心（包括银河系的中心在内）都会有超大质量黑洞。
超大质量黑洞的形成有几个方法。最明显的是以缓慢的吸积（由恒星的大小开始）来形成。
另一个方法涉及星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原生黑洞。
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，最多有10倍太阳质量。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的中介质量黑洞。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。

5. 超大质量黑洞吞噬耀眼恒星，黑洞究竟有多恐怖

黑洞也是一种宇宙天体，不过黑洞里面几乎不适用任何物理学，这可以意味着黑洞里面没有体积，也没有空间、时间概念，从这点来看，黑洞已经够恐怖了。

宇宙存在太多奥妙，而宇宙会不会是解析宇宙奥妙的重要天体呢？这里觉得黑洞存在这种可能。黑洞确实很恐怖，不过也带给人们很多联想，这些可能需要用到哲学来解析。

6. 超大质量黑洞的比较

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）。

7. 7亿光年外发现目前最大的超大质量黑洞，这个“大”的概念具体是多大

实际上，有这样的发现没有什么稀奇的，因为宇宙之大，真的是无奇不有。1995年，哈勃深空场曾经找到天球中最暗的一个区域，也就是下面用黄色线标出来的地方，然后来一波长达10天的曝光。当时，很多天文学家就纳闷了，这是要干嘛？太奢侈浪费了。毕竟哈勃望远镜的资源珍贵，大家都抢着用。

除了TON 618，科学还发现了一个编号为S5 0014 + 81的类星体，同样具有一个超大质量的黑洞，这个超大质量的黑洞大概拥有400亿倍太阳质量。即使我们把整个太阳系和这个黑洞相比，那也就只是一个点而已。

8. 聚焦超大质量黑洞是如何形成的

科学新闻网站报道，目前，美国、英国和芬兰科学家组建一支国际研究小组提出了宇宙早期超大质量黑洞的“形成公式”。
通常情况下，超大质量黑洞位于银河系等大量星系中心区域，这种类型黑洞如何诞生困扰了天体物理学家许多年，都林林城市大学研究人员约翰-里根(John Regan)和同事设计了一个理论模型，通过使用邻近星系的放射线作为形成超大质量黑洞种子的催化剂，提出了一个特殊的解决方案。
里根博士说：“理解超大质量黑洞如何形成有助于揭晓星系的形成和进化，最终揭晓更多宇宙相关的信息。”在计算机模拟实验中，里根和同事指出，如果一个邻近原星系喷射大量放射线，转换其形成恒星的能力，超大质量黑洞能够在原星系中心快速生长。
原星系将逐渐生长，直至最终崩溃形成吞噬残留气体的黑洞，科学家解释称，当原星系彼此接近时，一个原星系强大辐射场将对其它原星系杀菌，使其无法形成恒星。杀菌之后的星系继续生长至较大质量，不可避免地快速达到形成超大质量黑洞的临界阈值。
之后超大质量黑洞继续收集其它黑洞和恒星半径范围的任何物质，他们指出，这种贪婪的方法使其质量增长了近100万倍。邻近星系不能较近接触，也不能过于远离，就像宜居地带法则一样，不能过热也不能过冷。
美国哥伦比亚大学卓尔坦-海曼(Zoltan Haiman)教授称，该星系崩溃和形成质量是太阳数百万倍的黑洞用了10万年时间，这在宇宙进化历程中仅是一瞬间，之后经历数亿年时间，黑洞逐渐生长成数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞，这种快速生长远超出之前科学家的预期。目前，这项最新研究报告发表在近期出版的《自然天文学杂志》上。
研究人员希望2018年美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜能够测试验证这一理论，传送早期宇宙的图像数据。（悠悠/编译）

9. 什么是大质量黑洞

我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前，物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象--它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小，而且有各式各样奇怪而美妙的形状，有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体，现在知道这种能量源是非常活跃的星系核，其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮，所以可以从很远的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。

在这些星系的中心，甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的，它们可能直接由坍缩的气体形成，也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质而形成的。无论如何，这一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能够吸引庞大数量的物质。

看来在星系形成的早期，当恒星刚开始形成时，有大量的尘埃和气体存在。这些物质的存在为黑洞提供了燃料，并向内旋转形成圆盘状。这时，它所发出的光线分成多个束流，当我们沿着其中一束的方向看过去时，就看到了被称作类星体的威力巨大的信标。在宇宙演化的这个早期阶段，这些原始星系之间的碰撞是很平常的。而当两个星系合并时，新的物质被吸入一个或几个黑洞中，类星体发出闪亮。实际上，所有大质量星系，包括我们的银河系，在演化过程中都经历过类星体的阶段。而近来对某些类星体的研究发现，在其他方面它们就是普通星系。当燃料最终耗尽时，星系就稳定下来。

这个在地球轨道上运行的天文台将望远镜指向了一块以前从未引起过任何兴趣的天空。长达100万秒（略长于11天）的极端长时间曝光使得来自最暗。

10. 超大质量黑洞是如何形成的这种黑洞寿命多长

超大质量黑洞，早在宇宙大爆炸时期应该就已经出现；它们是奇点膨胀之后，时空对维度的挤压之后形成的；这种黑洞，目前学术界并没有得到有关于它们“寿命”的结论。

我们都知道，黑洞，可谓是目前可观测宇宙内，人类发现的最恐怖，最让人谈之色变的天体之一。黑洞，拥有着无与伦比的破坏力，庞大到无以复加的可怕吞噬能力；因此，任何物质，在史瓦西半径内，都无法摆脱黑洞的束缚。

那么，这种黑洞的寿命有多长呢？现在还没有一个确切的结果。毕竟，它们都已经存在了一百多亿年了；天知道它们还能活多久。