新的研究表明：超級黑洞形成時間實比想像得要早，這讓科學家意外

2023-04-01 18:23:23

大爆炸後，超級黑洞是如何形成和釋放強大噴流的？

在過去的幾十年裡，天文學家已經能夠探索更多的宇宙奧秘，並且能夠追溯時間，幾乎可以追溯到宇宙的起源。結果，他們學到了很多關於早期星系和它們在宇宙中後期演化的知識。然而，仍有許多事情超出了人類的認知範圍。例如，我們不知道帶有超大質量黑洞和巨大噴流的星系何時出現。

國際高級研究所(SISSA)和一組來自日本和臺灣的天文學家的研究提供了新的見解，即超級黑洞是如何在大爆炸後8億年開始形成的，以及相對論噴流是如何在大爆炸後不到20億年形成的。這些越來越多的爭論表明了宇宙中巨大物體的形成速度比我們想像的要快。

半個多世紀前，天文學家發現了超大質量黑洞。很快他們意識到這些黑洞存在於大多數大星系的中心區域。研究人員一直在仔細研究超大質量黑洞在星系演化中的作用。當代天文學家已經證實它們與行星的形成密切相關。

類似地，天文學家發現緻密吸積盤聚集在超大質量黑洞周圍，在那裡氣體和塵埃以接近光速的速度運動。這使得一些星系的中心異常明亮(即活躍的星系核)，甚至比同一星系中的其他行星還要明亮。在某些情況下，這些吸積盤也會引發熱流爆發，在數十億光年之外都能看到。根據傳統的模型，如果宇宙的壽命少於10億年(迄今為止宇宙已經存在了大約130億年)，中央黑洞就不能形成。然而，最近的研究表明，早在宇宙形成十億年後，黑洞就已經在星系中心緩慢形成。

為了證明這一觀點，裡雅斯特高級國際研究中心的科學家提供了一個合理的解釋，並建立了一個新的模型。眾所周知，超大質量黑洞形成於早期星系的中心。基於這一事實，宇宙基礎物理研究所的盧蒙·波酷網博士帶領他的研究小組開始了這一課題的研究。這些早期的天體是今天橢圓星系的前身，被高濃度的氣體包圍，新恆星的形成速度極快。這些早期星系中的第一代行星並不存在很長時間，但它們很快演化成黑洞，體積很小，數量不計其數。黑洞周圍的高密度氣體會產生大量摩擦，迫使它們迅速向信息中心移動。這是超大質量黑洞的搖籃，它們在這裡隨著時間緩慢成長。

天文學家繪製的關於S2星軌跡的圖表恰好是當它經過銀河系中心的超大質量黑洞時的圖像。(照片來自:ESO/m . Kornesser。)

正如研究小組在最近的一篇SISS新聞文章中解釋的那樣，根據經典理論，一個超大質量黑洞潛伏在銀河系的中心。它會吸收周圍的物質來實現自身的增長，主要是氣體，並最終以與其自身質量成比例的節奏吞噬被吸收的物質。因此，在黑洞成長的初始階段，當它的質量很小時，它的成長速度非常慢。根據計算，在某種程度上，要達到觀測到的質量——太陽質量的幾十億倍——需要很長時間，甚至比年輕宇宙的形成還要長。

然而，他們最初建立的數據模型顯示，中央黑洞的形成過程在其初始成長階段非常迅速。這不僅為早期宇宙中超大質量黑洞種子的存在提供了解釋，而且使它們的生長時間與已知的宇宙年齡相一致。簡而言之，他們的研究表明，早期黑洞的遷移和合併導致了超大質量黑洞種子在5000萬至1億年內增長到太陽質量的1萬至10萬倍。正如研究小組所解釋的那樣，如果我們根據常識假設，中央黑洞的快速增長是由上述氣體的直接積累引起的，因為它會吸引和吸收大量的氣體。這個假設主導了我們的猜測。然而，它來自於一個如此巨大的黑洞種子，正如我們的機制所設想的那樣，超大質量黑洞的整體增長被加速並允許在年輕的宇宙中存在。簡而言之，根據這一理論，我們可以說超大質量黑洞在大爆炸後的8億年裡充滿了宇宙。

對於觀測到的超大質量黑洞，SMBH)，研究小組提出了一種測試現有研究模型的方法。一方面，由超大質量黑洞合併產生的引力波被引力波探測器探測到，如雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)和處女座，並在未來被愛因斯坦望遠鏡表徵。

此外，超大質量黑洞的後續發展可以通過例如歐洲航天局(歐空局)計劃在2035年左右發射的空空間幹擾天線(LISA)來探測。

類似於這個計劃，一組天文學家最近利用智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)來研究星系的另一個秘密，即為什麼有些星系有噴流，而有些星系沒有。這些高速噴流是以相對論速度(接近光速)運動的離子物質，在一些星系的中心被觀察到。天文學家認為，這些高速噴流與星系的恆星形成速率有關，因為這些噴出的物質如果留在星系中，會逐漸形成新的恆星。換句話說，這些高速噴流在星系演化中的角色非常類似於大質量黑洞。

因此，隨著時間的推移，天文學家開始更多地研究黑洞噴流和氣體雲之間的相互作用。不幸的是，這種相互作用在宇宙形成的早期很難觀察到。一組天文學家通過使用ALMA獲得了第一張來自宇宙深處類星體的氣態雲擾動圖片。

MG J0414+0534的重建圖像顯示類星體(紅色)周圍的塵埃、離子氣體和一氧化碳氣體(綠色)的發射具有雙極結構。(照片來源:阿爾瑪(歐洲證券組織/日本國家行政法院/NRAO)、井上康等。)

由日本馮靜恩大學的井上凱北教授領導的研究小組最近在《天體物理學快報》上發表了他們的研究成果。井上教授和他的同事解釋說，阿爾瑪的觀測數據揭示了一個年輕的雙極噴流，它是從距離地球110億光年的類星體MG J0414+0534中噴射出來的。研究表明，包含超大質量黑洞和噴流的星系出現在大爆炸後30億年內。

除了ALMA，該研究小組還依賴於一種叫做引力透鏡的技術，在這種技術中，幹擾星系的引力放大來自遙遠天體的光。多虧了「太空望遠鏡」和ALMA的高解析度，研究小組能夠觀察到MG J0414+0534周圍的擾動氣體雲，同時確定它們是由SMBH星系中心不久發射的噴流引起的。

正如日本國家天文臺/SOKENDAI項目副教授中西口一郎在ALMA新聞稿中所說:

「將這臺宇宙望遠鏡與阿爾瑪的高解析度觀測結合起來，我們獲得了極其敏銳的視覺，是人類視覺的9000多倍。有了這個極高的解析度，我們就可以獲得超大質量黑洞噴射出的噴流周圍氣體雲的分布和運動。」

這些觀察還表明，氣體沿注入方向受到衝擊，導致粒子劇烈運動，並加速至600公裡/秒(370英裡/秒)。更重要的是，這些受影響的氣體雲和噴流本身比這個時代的典型星系要小得多。

藝術家對MGJ0414+0534的(描述)印象顯示，強大的噴流擾亂了銀河系周圍的氣體。多虧了金德代爾大學的研究團隊，他們得出結論，他們見證了MGJ0414+0534星系噴射流演化的非常早期的階段。

如果是真的，這些觀察使研究小組能夠見證早期宇宙中星系的一個關鍵進化過程。

正如井上總結的那樣:「MGJ0414+0534星系是一個很好的例子，因為它是年輕的噴氣式飛機。即使在噴流演化的早期階段，我們也發現了噴流和氣態雲之間存在顯著相互作用的證據。我認為我們的發現將為更好地理解早期宇宙中星系的演化鋪平道路。」

這些研究表明，宇宙中最強大的兩種天文現象比預期發生得更早。這一發現也為天文學家提供了一個探索這些現象如何隨時間演變以及它們在宇宙進化中的作用的機會。

相關知識

黑洞是這樣一個地方，在那裡，太空中的物質的重力非常強，以至於粒子，甚至電磁輻射，比如光，都無法逃脫。廣義相對論認為，足夠緻密的質量可以使時間空變形，形成黑洞。黑洞不可避免的邊界被稱為事件視界。儘管事件視界對穿過它的物體的命運和環境有很大的影響，但是沒有局部可檢測的特徵。因為黑洞不反射光，在許多情況下，黑洞的行為就像一個理想的黑體。此外，彎曲空的量子場論認為霍金輻射將從事件視界發射，其光譜與溫度和質量成反比的黑體相一致。對於比重與恆星相當的黑洞來說，溫度大約是開爾文的十億分之一，觀察的可能性非常小。

參考材料

1.維基百科

2.天文術語

3.三個夢，LRZ，〆Vian，小浣熊愛鹿，今天的外星世界

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