科学|新的研究表明：超级黑洞形成时间实比想象得要早，这让科学家意外
在宇宙大爆炸后 ， 超级黑洞是如何形成并如何释放强大喷流的？
在过去的几十年里 ， 天文学家已经有能力去探索宇宙的更多奥秘 ， 也有能力回溯时间 ， 几乎可以回到宇宙的起源 。 因此 ， 他们了解了许多宇宙中早期星系和星系后期演化的知识 。 尽管如此 ， 还是有许多事情游离于人类的认知之外 ， 比如说 ， 我们不知道有着超级黑洞和大质量喷流的星系是何时出现的？
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国际高等研究学院(SISSA)和日本、台湾的一组天文学家的研究 ， 为超级黑洞是如何在宇宙大爆炸后8亿年开始形成 ， 以及相对论性喷流是如何在大爆炸后不到20亿年形成的提供了新的见解 。 这些不断增长的论据 ， 表明了宇宙中大质量物体是如何形成的比我们想象的更快 。
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【科学|新的研究表明：超级黑洞形成时间实比想象得要早，这让科学家意外】
早在半个多世纪前 ， 天文学家就发现了超大质量黑洞 。 很快 ， 他们便意识到了这些黑洞存在于大部分大型星系的中心区域 。 研究学者们一直悉心钻研超大质量黑洞在星系演化中的作用 ， 当代天文学家证实它们与行星的形成息息相关 。
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同样 ， 天文学家发现 ， 超大质量黑洞周围聚集了紧密的吸积盘 ， 在那周围的气体和尘埃的运行速度接近于光速 。 这使得一些星系的中心异常明亮（即活动星系核） ， 甚至比同一星系的其他行星更加闪耀 。 有些时候 ， 这些吸积盘还会引发热流的爆发 ， 使得在几十亿光年之外的地方还能看得到 。 根据传统模型 ， 宇宙的寿命若不到十亿年（至今宇宙已存在约130亿年） ， 中心黑洞是无法形成的 。 但近期有研究表明 ， 早在宇宙形成的十亿年间 ， 黑洞就已经在星系中心慢慢形成 。
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为了证明这一观点 ， 来自里雅斯特高级国际研究中心的科学家提供了合理的解释 ， 建立了新的模型 。 众所周知 ， 超级质量黑洞形成于早期星系的中心地带 ， 以此事实为基础 ， 宇宙基础物理协会（FPU）的博士Lumen Boco带领其研究团队 ， 开始对这一主题的研究 。 这些早期天体是当今椭圆星系的前身 ， 高浓度气体环绕 ， 且新星的形成速率极快 。 这些早期星系中的初代行星存在时间并不长 ， 但他们很快就进化成了黑洞 ， 体积微小 ， 数不胜数 。 黑洞周围的高密度气体会产生大量的摩擦 ， 迫使它们不断向信息中心速移 。 这就是超级质量黑洞发育的摇篮 ， 在此它们随着时间缓慢生长 。
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来自天文学家关于S2恒星运动轨迹的图正是它从位于银河中心的超大质量黑洞近距离掠过的时候的画面 。
正如研究团队在近期发表的SISS新闻文章中解释到：依据经典理论 ， 一个超大质量黑洞潜伏在银河系中心 ， 它会吸取周边的物质来实现自身的增长 ， 主要为气体 ， 最终以与其本身质量成正比的节奏吞噬所吸取的物质 。 正因此 ， 在黑洞生长的初始阶段 ， 也是其质量小的时候 ， 其生长速度非常慢 。 根据计算 ， 在某种程度上 ， 如果要达到所观测到的质量——太阳的数十亿倍 ， 需要经历很长的时间 ， 甚至比年轻的宇宙形成的时间还要长 。
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然而 ， 在他们最初建立的数据模型中表明中心黑洞的形成过程在其成长初始阶段是非常迅速的 。 这不仅为超大质量黑洞种子存在于早期宇宙中提供了一种解释 ， 也使得他们的生长时间与已知的宇宙年龄相一致 。 简言之 ， 他们的研究表明早期黑洞的迁移与合并的过程使得超大质量黑洞种子在5千万至1亿万年间成长至1万乃至10万倍的太阳质量 。 如研究团队解释：若按常理来设想 ， 中心黑洞的快速增长是由前面提到的气体的直接积聚造成的 ， 因为它会吸引和吸收大量的气体 。 这一设想在我们的猜想过程中占主导地位 。 然而 ， 正是从我们的机制所设想的如此大的黑洞种子开始 ， 加速了超大质量黑洞的整体增长 ， 并且允许它存在于年轻的宇宙中 。 简言之 ， 根据这个理论 ， 我们可以说 ， 在宇宙大爆炸之后的8亿年中 ， 超大质量黑洞已经填满了宇宙 。
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对于已观测到的超大质量黑洞（SupermassiveBlackHole,SMBH） ， 研究团队提出了一个方法来测试现有的研究模型 。 一方面 ， 通过引力波探测器例如激光干涉引力波天文台（LaserInterferometerGravitationalObservatory ， LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）探测超大质量黑洞合并产生的引力波 ， 未来还将使用爱因斯坦望远镜进行表征 。
除此以外 ， 超大质量黑洞的后续发展可以通过诸如欧洲空间局（EuropeSpaceAgency ， ESA）计划于2035年左右发射的空间激光干涉天线（LaserInterferometerSpaceAntenna ， LISA）进行探测 。
与此计划类似地 ， 有一组天文学家近来使用位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（AtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray ， ALMA）来研究关于星系的另一个谜团 ， 即：为什么有些星系有喷流但是有些星系没有喷流 。 这些高速喷流是以相对论速度（接近光速）运动的离子物质 ， 目前已在部分星系的中心观测到 。 天文学家认为这些高速喷流与星系的恒星形成率有关 ， 因为这些被喷出的物质如果留在星系内会逐渐形成新的恒星 。 换句话说 ， 这些高速喷流在星系演化中扮演的角色与大质量黑洞非常相似 。
因此 ， 天文学家开始对黑洞喷流与气体云随时间推移的相互作用进行了更多研究 。 可惜的是 ， 宇宙形成早期的这类相互作用非常难观测到 。 一组天文学家通过使用ALMA获得了第一张来自宇宙极深处的类星体的气态云扰动的照片 。
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MGJ0414+0534的重构图像显示了类星体（红色）周围的尘埃和离子气体和一氧化碳气体（绿色）的发射是存在两极结构的 。
日本近畿大学的井上教授（KaikitaroInoue）领导的研究团队最近在《天体物理学快报》发表了他们的研究结果 。 井上教授和他的同事解释到：ALMA的观测数据揭示了从一颗距离地球110亿光年的类星体MGJ0414+0534喷射出的年轻双极喷流 。 这项研究表明含有超大质量黑洞和喷流的星系在宇宙大爆炸30亿年以内就出现了 。
除了ALMA之外 ， 研究小队还依赖于一种称为引力透镜的技术 ， 即干涉星系的引力将来自遥远天体的光放大 。 多亏这台“宇宙望远镜”和ALMA的高分辨率 ， 研究小组能够观察到MGJ0414+0534周围受干扰的气态云的同时 ， 还确定它们是由星系中心SMBH发射不久的喷流造成的 。
正如日本国家天文台/SOKENDAI项目副教授KouichiroNakanishi在ALMA新闻稿中所讲的：
“结合这架宇宙望远镜和ALMA的高分辨率观测 ， 我们获得了异常敏锐的视力 ， 是人类视力9000多倍 。 通过这种极高的分辨率 ， 我们能够获得从超大质量黑洞喷射出来的喷流周围气体云的分布和运动 。 ”
这些观测结果同样表明 ， 气体沿着喷射方向受到冲击 ， 导致颗粒剧烈移动 ， 并加速至600公里/秒（370英里/秒） 。 更重要的是 ， 这些受影响的气态云和喷流本身比这个年龄的典型星系要小得多 。
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艺术家对MGJ0414+0534的（描述）印象 ， 展现了强大的喷流干扰着整个星系周围的气体 。 归功于金戴大学的研究小组 ， 他们由此得出结论 ， 在MGJ0414+0534星系中目睹了一个非常早期的喷流演化阶段 。
如果是真的 ， 这些观测结果使研究小组得以见证早期宇宙中星系的一个关键进化过程 。
正如井上所总结的：“因为有喷流的年轻 ， MGJ0414+0534星系是一个很好的例子 。 我们发现了喷流和气态云之间显著相互作用的证据 ， 即使在喷流的早期演化阶段也是如此 。 我认为我们的发现将为更好地理解早期宇宙中星系的进化过程铺平道路 。 ”
这些研究表明 ， 宇宙中两个最强大的天文现象出现的时间比预期的要早 。 这一发现也为天文学家提供了一个机会来探索这些现象是如何随时间演化的 ， 以及它们在宇宙演化中所起的作用 。
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相关知识
黑洞 ， 是太空中的一个物质引力强大到粒子、甚至连光这样的电磁辐射都无法逃脱的地方 。 广义相对论认为 ， 足够紧密的质量可以使时空变形 ， 从而形成黑洞 。 黑洞那无法逃脱的边界被称为事件视界 。 尽管事件视界对穿过它的物体的命运和环境有着巨大影响 ， 但不存在局部可探测特征 。 因为黑洞不反射光 ， 在许多情况下 ， 黑洞表现的像一个理想黑体 。 此外 ， 弯曲时空的量子场论认为 ， 事件视界会发出霍金辐射 ， 其频谱与温度和质量成反比的黑体一致 。 对于可与恒星试比重的黑洞来说 ， 这个温度大约是十亿分之一开尔文 ， 观测到的可能也微乎其微 。
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