十多年前，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了來自超大質(zhì)量黑洞的X射線準(zhǔn)周期振蕩信號——“黑洞心跳”。十年后，當(dāng)天文學(xué)家再次有機(jī)會觀察黑洞時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)信號仍在繼續(xù)。這項(xiàng)研究工作由國家天文臺高能天體物理組牽頭，合作方包括英國杜倫大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在6月10日的《皇家天文學(xué)會月刊》上。

這個(gè)特殊的黑洞，命名為RE J1034+396，是一個(gè)質(zhì)量為200萬個(gè)太陽，距離地球6億光年的超大質(zhì)量黑洞。2007年，科學(xué)家們利用歐洲航天局的XMM- Newton衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞的x光輻射具有大約一個(gè)小時(shí)的周期性振蕩信號。2011年后，由于黑洞的視線離太陽太近，對其心跳信號的監(jiān)測停止了。直到2018年，科學(xué)家們還有機(jī)會觀察這個(gè)黑洞。研究小組向歐洲航天局和美國航天局申請使用XMM- Newton衛(wèi)星、核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列衛(wèi)星和斯威夫特衛(wèi)星對RE J1034+396進(jìn)行聯(lián)合觀測，并于2018年10月成功完成所有觀測任務(wù)。經(jīng)過詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，團(tuán)隊(duì)最終確認(rèn)RE J1034+396的X射線振蕩信號依然存在，并且比10年前更強(qiáng)！這是觀測到的超大質(zhì)量黑洞心跳信號持續(xù)時(shí)間最長的一次。

宇宙中有大量太陽質(zhì)量在百萬到上億的黑洞。電影《星際爭霸》中的“卡根圖雅”黑洞就是這么大的黑洞。漂浮在星際空間的物質(zhì)空會被黑洞的引力俘獲，在逐漸落入黑洞的過程中，會形成盤狀結(jié)構(gòu)，在黑洞周圍的小空間釋放出大量能量，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的高能輻射，如X射線。然而，這種高能輻射的周期性重復(fù)信號很少被發(fā)現(xiàn)。這個(gè)信號的周期攜帶了黑洞視界附近物質(zhì)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。

眾所周知，一個(gè)能產(chǎn)生類似心跳信號的黑洞是位于銀河系旋臂的一個(gè)叫做GRS 1915+105的小黑洞。黑洞的質(zhì)量只有12個(gè)太陽質(zhì)量，它正在迅速吸收附近恒星的物質(zhì)，并以大約67赫茲的“心率”產(chǎn)生x光心跳信號?？茖W(xué)家通過簡單的質(zhì)量對比，估算出RE J1034+396的“理論心率”，發(fā)現(xiàn)與“實(shí)測心率”一致。

該論文的第一作者和通訊記者金奇川研究員說:“這個(gè)心跳信號非常漂亮！首次證明了這種來自超大質(zhì)量黑洞的周期信號可以長期保持穩(wěn)定，為我們深入研究其物理機(jī)制和起源提供了重要線索和絕佳機(jī)會。RE J1034+396也可以作為我國下一代x射線天文衛(wèi)星的重要觀測目標(biāo)之一，如愛因斯坦探測器。

目前，研究小組正在對幾顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，以便更好地了解心跳信號的性質(zhì)，并將其與銀河系中的小質(zhì)量黑洞進(jìn)行比較，從而更深入地了解黑洞視界附近的物理過程。

天文學(xué)家有了新的模型來描述這些不可思議的原始宇宙怪物的起源。

超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量在幾億到幾十億顆恒星的天體，是現(xiàn)代天體物理學(xué)中最深?yuàn)W的秘密之一。它們潛伏在大多數(shù)大型星系的核心，包括我們的銀河系。由于黑洞在宇宙中無處不在，它們可能在宇宙的形成和演化中起著至關(guān)重要的作用。然而，它們的質(zhì)量如何變得如此之大，長期以來一直困擾著全世界的理論物理學(xué)家。

哈勃望遠(yuǎn)鏡揭示了我們的宇宙

來源:NASA歐空局；加州大學(xué)圣克魯斯分校的麥咭和奧斯奇；R. Bouwens，萊頓大學(xué)；和HUDF09團(tuán)隊(duì)

最合理的解釋——這些可怕的東西在過去幾十億年里通過消耗大量氣體而獲得了如此大的質(zhì)量——現(xiàn)在被認(rèn)為是錯(cuò)誤的。最近的觀察表明，在大爆炸后僅8億年，就有數(shù)十億個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞存在。所以，有一些困惑:它們是如何這么快變得如此巨大的？大多數(shù)天體物理學(xué)家認(rèn)為超大質(zhì)量黑洞一定起源于小“種子”黑洞。他們只是沒有就種子有多小達(dá)成共識。一種更傳統(tǒng)的理論思想認(rèn)為，“種子”黑洞應(yīng)該很大——有可能達(dá)到幾千到幾萬個(gè)太陽質(zhì)量；另一種理論認(rèn)為“種子”可能很小——它們可能不到100個(gè)太陽。

兩個(gè)陣營都認(rèn)同的事實(shí)是，黑洞是貪婪的掠食者:只有在黑洞旁邊堆積著物質(zhì)時(shí)，引力才能把這么多氣體放進(jìn)它的胃里，形成白熱化的圓盤，發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，把即將到來的氣體推到很遠(yuǎn)的地方，有效地切斷了黑洞的食物供應(yīng)。這個(gè)極限被稱為性丁頓極限，被認(rèn)為是嚴(yán)重阻止任何黑洞吞噬物質(zhì)和膨脹的原因。使用這種小種子模型的好處是，這些次生重量級黑洞相對容易形成；缺點(diǎn)是當(dāng)黑洞從次中重量迅速變?yōu)槌刂亓繒r(shí)，必須更多考慮愛丁頓極限，需要依靠各種可能性來避免其局限性。相比之下，大種子模型更符合愛丁頓極限，愛丁頓極限是通過給超大質(zhì)量黑洞一個(gè)巨大的質(zhì)量來避免大量吞噬氣體——但是它們的質(zhì)量越大，就越難形成。巨大的氣體云不僅可以坍縮形成大質(zhì)量黑洞，還可以破碎成團(tuán)，形成行星團(tuán)而不是大質(zhì)量黑洞。

東京大學(xué)的天體物理學(xué)家吉田直樹說，不管支持大種子模型還是小種子模型，“有許多理論嘗試來解釋超大質(zhì)量黑洞的形成和存在，但它們不能給出令人滿意的解釋”。吉田直樹是大種子理論的支持者。在他發(fā)表在《自然》雜志上的最新研究中，他揭示了早期宇宙是如何產(chǎn)生并形成大量超大質(zhì)量黑洞的。他的“合理解釋”是，宇宙爆炸后，高速流動(dòng)的氣體作為黑洞質(zhì)量快速增長的關(guān)鍵催化劑。具體來說，是依靠快速上升的氣體和暗物質(zhì)的相互作用，暗物質(zhì)是一種神秘而不可見的物質(zhì)，似乎是星系之間的引力膠。

圖片是星系中心超大質(zhì)量黑洞的計(jì)算機(jī)模擬。

形成黑洞

吉田教授與他在奧斯汀的德克薩斯大學(xué)和德國的圖賓根大學(xué)的合作者一起，使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，通過給出宇宙參數(shù)程序來重建早期宇宙的條件，這些參數(shù)是由天文學(xué)家根據(jù)早期宇宙組成的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出來的。吉田教授說:“我們將努力使這個(gè)模擬狀態(tài)盡可能接近我們實(shí)際觀察到的狀態(tài)，并使模擬的宇宙隨著時(shí)間而進(jìn)化?！?/p>

根據(jù)這個(gè)團(tuán)隊(duì)對模擬宇宙的研究，在宇宙的某些部分，來自暗物質(zhì)的能量會在大爆炸中離開高速流動(dòng)的氣體中原來的氫和氦。爆炸后，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，這些早期氣體在某些區(qū)域加速，達(dá)到了吉田教授所說的“難以置信”的速度——或“超快速風(fēng)”。吉田教授說:“你可以想象你很難抓住它們，因?yàn)闅怏w移動(dòng)得很快?！彼f，當(dāng)你把手放在消防水龍帶的噴口上時(shí)，你的手會被那股力量沖回去。"阻止這種超級風(fēng)的唯一方法是創(chuàng)造足夠強(qiáng)的重力."他這么說的。這些研究人員在早期宇宙中每30億光年的廣闊區(qū)域內(nèi)計(jì)算出這種重力，在那里有足夠的暗物質(zhì)提供重力來捕獲這些氣體——就像有足夠的力量將消防管道中的水推回相反的方向一樣。氣體和暗物質(zhì)之間的引力形成了巨大的氣體云，阻止了小行星的形成。

這個(gè)氣體云非常大，質(zhì)量相當(dāng)于200萬個(gè)太陽，在宇宙中以310 km/s的速度高速飛行，預(yù)計(jì)3000萬年后與銀河系相撞

來源:網(wǎng)易

然后，這種模擬氣體坍縮成一顆巨星，這顆巨星繼續(xù)吞噬更多的氣體，直到它達(dá)到太陽質(zhì)量的34000倍。這種假設(shè)的大質(zhì)量恒星只有在它的成分只有氫和氦的情況下才能存在——在任何一顆恒星發(fā)生超新星爆炸之前，在早期宇宙中的兩種元素的氣體周圍都會產(chǎn)生碳、氮、氧等較重的元素。超大質(zhì)量恒星的想法以前也有人提出過，但這是第一個(gè)模擬它的團(tuán)隊(duì)。吉田教授說:“我們的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，這種現(xiàn)象確實(shí)發(fā)生了，這顆巨大的恒星確實(shí)可以形成?！?。當(dāng)恒星達(dá)到一定質(zhì)量時(shí)，就會坍縮，產(chǎn)生超大黑洞種子；他說“黑洞種子是自然產(chǎn)生的，這就是為什么我認(rèn)為這是最終的答案，至少是對黑洞起源問題的答案”，但并不是每個(gè)人都同意這種觀點(diǎn)

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