超大质量黑洞心跳：超大质量黑洞是怎么形成的

十几年前，天文学家首次发现来自一个超大质量黑洞的X射线准周期震荡信号——“黑洞的心跳“。十几年后，当天文学家再次有机会观测这个黑洞时，发现这个信号仍在持续。这项研究工作由国家天文台高能天体物理团组主导，合作者包括英国杜伦大学研究团队，相关成果6月10日发表于《英国皇家天文学会月刊》。

这个特殊的黑洞被命名为RE J1034+396,是一个距离地球6亿光年，具有2百万个太阳质量的超大质量黑洞。2007年，科学家们利用欧洲宇航局的XMM-牛顿卫星，首次发现这个黑洞的X射线辐射具有一小时左右的周期性震荡信号。2011年以后，由于该黑洞的视线方向离太阳太近，对其心跳信号的监测也停止了。直到2018年，科学家们再次有机会对这个黑洞开展观测。研究团队向欧洲宇航局和美国宇航局申请使用XMM-牛顿卫星、“核光谱望远镜阵列”卫星和“雨燕”卫星，对RE J1034+396开展联合观测，并于2018年10月顺利完成了所有观测任务。经过详细的数据分析，该团队最终确认，RE J1034+396的X射线震荡信号仍然存在，并且比10年前更强了！这是目前观测到的超大质量黑洞心跳信号的最长持续时间。

宇宙中存在大量的具有百万至上亿个太阳质量的黑洞。电影《星际穿越》里的“卡刚图雅”黑洞就是这样一个大黑洞。漂浮在星际空间中的物质会被黑洞的引力所俘获，在逐渐落入黑洞的过程中，会形成一个圆盘状的结构，并在黑洞周围很小的空间里释放大量的能量，从而产生很强的高能辐射，比如X射线。但是，这种高能辐射的周期性重复信号却极少被发现。这种信号的周期携带了关于黑洞视界附近的物质尺度和结构的关键信息。

据了解，目前已知的一个能够产生类似心跳信号的黑洞，是一个位于银河系旋臂内，被称为GRS 1915+105的小黑洞。该黑洞的质量仅为12个太阳质量，正快速地从其旁边的一颗恒星吸收物质，并以67赫兹左右的“心率”产生X射线心跳信号。通过简单的质量对比，科学家们估算了RE J1034+396的“理论心率”，发现和“实测心率”很一致。

论文第一作者兼通讯作者金驰川研究员表示：“这个心跳信号非常美秒！它首次证明来自超大质量黑洞的这类周期性信号可以长期保持稳定，并为我们提供了深入研究其物理机制和起源的重要线索和绝佳机会。RE J1034+396也可以成为我国下一代X射线天文卫星，比如爱因斯坦探针等卫星的重要观测目标之一。

目前，该研究团队正对多颗卫星的数据进行深入分析，以期对该心跳信号的性质有更多了解，并与银河系内的小质量黑洞作对比，从而获得对黑洞视界附近的物理过程的更深刻理解

天文学家有了一个新模型来描述这些无法想像的原始宇宙怪兽的起源。

超大质量黑洞——一个质量可达数亿至数十亿个恒星的天体——是现代天体物理学最深奥的秘密之一。它们潜伏在大多数大型星系的核心位置，包括我们的银河系。鉴于黑洞在宇宙中无处不在，所以它们在宇宙形成和演化过程中很可能起到了至关重要的作用。但是它们的质量究竟是如何变得如此之巨大，长久以来一直困扰着全世界的理论物理学家。

哈勃望远镜所揭示的我们的宇宙

来源：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

最合乎情理的解释——这些可怕的东西在过去的数十亿年里通过吞噬大量的气体来获得如此大的质量——这个想法如今也被认为是错误的。最近的观测发现，仅仅在大爆炸8亿年之后，拥有数十亿太阳质量的黑洞就存在了。所以，这就出现了一些谜题：它们是如何那么迅速地变成那么大质量的？大多数天体物理学家认为，超大质量黑洞肯定是起源于小的“种子”黑洞。他们只是在一个种子有多小这个问题上没有达成共识。一种较为传统的理论思想认为“种子”黑洞应该很大——有可能达到数千至上万个太阳质量；而另一种理论则认为“种子”可能很小——有可能不及一百个太阳质量。

两个阵营都认同的一个事实是，黑洞是贪婪的捕食者：只有在它旁边有物质开始堆积之后，引力才能把如此多的气体塞进它的胃里，形成又白又热的圆盘，这些圆盘发出强辐射并且把再次即将到来的气体推向远方，这就有效地切断了黑洞的食物供应。这个极限叫做爱丁顿极限，并且它被认为是严重阻碍任何黑洞吞噬物质和膨胀的原因。用这种小种子模型的好处就在于，这些次中重量级黑洞相对好形成；缺点是当黑洞从次中重量级迅速变为超重质量级时，必须更多地考虑到爱丁顿限制，并且需要依靠各种各样的可能性来避开它的局限性。相比之下，大种子模型，更符合给超大质量黑洞一个巨大质量的开始以避开大量吞噬气体所带来的爱丁顿极限——但是它们的质量越大相应地就越难以形成。巨大的气体云不仅可以坍塌形成大质量黑洞，还能破碎成团块，这些团块会形成行星团，而非大质量黑洞。

无论支持大种子模型还是小种子模型，“都有很多理论尝试去解释超大质量黑洞的形成和存在，然而它们都不能给出一个令人满意的解释，”东京大学的天体物理学家吉田直树说。吉田直树是大种子的理论的支持者，他在发表于《自然》杂志的最新研究中揭示了他们是如何使早期宇宙产生并形成数量巨大的超大质量黑洞。他的“合理解释”是在宇宙爆炸后，用高速流动的气体作为黑洞质量迅速增长的关键催化剂。具体来说，它是依赖于急速上升的气体和暗物质之间的相互作用，这种暗物质是一种神秘无形的物质，它似乎是星系之间的引力胶。

图片为电脑模拟的，一个星系中心的超大质量黑洞。

形成一个黑洞

吉田教授和他来自于德克萨斯大学奥斯汀分校和德国图宾根大学的合作者一起，运用电脑模拟技术，通过赋予程序关于宇宙学的参数（例如暗物质的密度）并重新创造了早期宇宙的条件，这些参数是天文学家们从早期宇宙组成的测量数据中计算出来的。吉田教授说“我们将尝试使这个模拟状态尽可能的接近我们实际观察到状态并且使模拟宇宙随着时间的推移发生演变。”

根据这个团队对模拟宇宙的研究，在宇宙中的某些地方，来自暗物质的能量会使高速流动的气体中的原始氢和氦在大爆炸中留下。在爆炸之后，研究者们最近发现，这些早期的气体在一些地区加速并达到一种“令人不可思议”的速度—或者像吉田教授那样称它是“超快风”。吉田教授说“你可以这样设想，你很难捕捉到它们，因为这种气体移动的很快。”他说，当你把手放在消防管的喷口处，你的手会被那股力冲回来。“唯一能够使这种超强风停止的方法是创造出足够强的引力。”他这样说道。这些研究者们在早期宇宙中每隔三十亿光年的广阔区域中计算了这股引力，那里有足够量的暗物质提供引力来将这些气体收入囊中——就像有足够的力量使消防管道里的水向相反的方向推回去一样。作用在气体和暗物质之间的引力形成了一团巨大的气体云并且会阻止小行星的形成。

这片气体云非常庞大，质量相当于200万个太阳，并且正以310千米/秒的速度在宇宙中高速飞行，预计在3000万年后与银河系相撞

来源：Netease

这种模拟气体之后塌缩成一个巨大的星体，这个星体之后继续吞噬更多的气体直到它达到太阳质量的三万四千倍。这个假想的大质量恒星只有在其成分只有氢和氦的情况下才能存在——在任何恒星发生超新星爆炸以前，会围绕着早期宇宙的两种元素气体产生更重的元素，例如碳，氮和氧。之前曾经有人提出过大质量恒星的想法，但是这是第一个来模拟出它的团队。“我们的计算机模拟结果显示，这种现象确实发生了，并且这种巨大的星体确实可以形成”吉田教授说。当星体达到一定的质量后，会发生坍缩，超大质量的黑洞种子由此产生；他说“黑洞种子就这样理所当然的产生了，这就是为什么我认为这是最终的答案，至少是黑洞起源这个问题的答案”但是并不是所有人都同意这个观点

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