超大质量黑洞心跳：超大质量黑洞是怎么形成的

十多年前，天文学家首次发现了来自超大质量黑洞的X射线准周期振荡信号——“黑洞心跳”。十年后，当天文学家再次有机会观察黑洞时，他们发现信号仍在继续。这项研究工作由国家天文台高能天体物理组牵头，合作方包括英国杜伦大学的研究团队。相关结果发表在6月10日的《皇家天文学会月刊》上。

这个特殊的黑洞，命名为RE J1034+396，是一个质量为200万个太阳，距离地球6亿光年的超大质量黑洞。2007年，科学家们利用欧洲航天局的XMM- Newton卫星首次发现，这个黑洞的x光辐射具有大约一个小时的周期性振荡信号。2011年后，由于黑洞的视线离太阳太近，对其心跳信号的监测停止了。直到2018年，科学家们还有机会观察这个黑洞。研究小组向欧洲航天局和美国航天局申请使用XMM- Newton卫星、核光谱望远镜阵列卫星和斯威夫特卫星对RE J1034+396进行联合观测，并于2018年10月成功完成所有观测任务。经过详细的数据分析，团队最终确认RE J1034+396的X射线振荡信号依然存在，并且比10年前更强！这是观测到的超大质量黑洞心跳信号持续时间最长的一次。

宇宙中有大量太阳质量在百万到上亿的黑洞。电影《星际争霸》中的“卡根图雅”黑洞就是这么大的黑洞。漂浮在星际空间的物质空会被黑洞的引力俘获，在逐渐落入黑洞的过程中，会形成盘状结构，在黑洞周围的小空间释放出大量能量，从而产生强烈的高能辐射，如X射线。然而，这种高能辐射的周期性重复信号很少被发现。这个信号的周期携带了黑洞视界附近物质的规模和结构的关键信息。

众所周知，一个能产生类似心跳信号的黑洞是位于银河系旋臂的一个叫做GRS 1915+105的小黑洞。黑洞的质量只有12个太阳质量，它正在迅速吸收附近恒星的物质，并以大约67赫兹的“心率”产生x光心跳信号。科学家通过简单的质量对比，估算出RE J1034+396的“理论心率”，发现与“实测心率”一致。

该论文的第一作者和通讯记者金奇川研究员说:“这个心跳信号非常漂亮！首次证明了这种来自超大质量黑洞的周期信号可以长期保持稳定，为我们深入研究其物理机制和起源提供了重要线索和绝佳机会。RE J1034+396也可以作为我国下一代x射线天文卫星的重要观测目标之一，如爱因斯坦探测器。

目前，研究小组正在对几颗卫星的数据进行深入分析，以便更好地了解心跳信号的性质，并将其与银河系中的小质量黑洞进行比较，从而更深入地了解黑洞视界附近的物理过程。

天文学家有了新的模型来描述这些不可思议的原始宇宙怪物的起源。

超大质量黑洞，质量在几亿到几十亿颗恒星的天体，是现代天体物理学中最深奥的秘密之一。它们潜伏在大多数大型星系的核心，包括我们的银河系。由于黑洞在宇宙中无处不在，它们可能在宇宙的形成和演化中起着至关重要的作用。然而，它们的质量如何变得如此之大，长期以来一直困扰着全世界的理论物理学家。

哈勃望远镜揭示了我们的宇宙

来源:NASA欧空局；加州大学圣克鲁斯分校的麦咭和奥斯奇；R. Bouwens，莱顿大学；和HUDF09团队

最合理的解释——这些可怕的东西在过去几十亿年里通过消耗大量气体而获得了如此大的质量——现在被认为是错误的。最近的观察表明，在大爆炸后仅8亿年，就有数十亿个太阳质量的黑洞存在。所以，有一些困惑:它们是如何这么快变得如此巨大的？大多数天体物理学家认为超大质量黑洞一定起源于小“种子”黑洞。他们只是没有就种子有多小达成共识。一种更传统的理论思想认为，“种子”黑洞应该很大——有可能达到几千到几万个太阳质量；另一种理论认为“种子”可能很小——它们可能不到100个太阳。

两个阵营都认同的事实是，黑洞是贪婪的掠食者:只有在黑洞旁边堆积着物质时，引力才能把这么多气体放进它的胃里，形成白热化的圆盘，发出强烈的辐射，把即将到来的气体推到很远的地方，有效地切断了黑洞的食物供应。这个极限被称为性丁顿极限，被认为是严重阻止任何黑洞吞噬物质和膨胀的原因。使用这种小种子模型的好处是，这些次生重量级黑洞相对容易形成；缺点是当黑洞从次中重量迅速变为超重重量时，必须更多考虑爱丁顿极限，需要依靠各种可能性来避免其局限性。相比之下，大种子模型更符合爱丁顿极限，爱丁顿极限是通过给超大质量黑洞一个巨大的质量来避免大量吞噬气体——但是它们的质量越大，就越难形成。巨大的气体云不仅可以坍缩形成大质量黑洞，还可以破碎成团，形成行星团而不是大质量黑洞。

东京大学的天体物理学家吉田直树说，不管支持大种子模型还是小种子模型，“有许多理论尝试来解释超大质量黑洞的形成和存在，但它们不能给出令人满意的解释”。吉田直树是大种子理论的支持者。在他发表在《自然》杂志上的最新研究中，他揭示了早期宇宙是如何产生并形成大量超大质量黑洞的。他的“合理解释”是，宇宙爆炸后，高速流动的气体作为黑洞质量快速增长的关键催化剂。具体来说，是依靠快速上升的气体和暗物质的相互作用，暗物质是一种神秘而不可见的物质，似乎是星系之间的引力胶。

图片是星系中心超大质量黑洞的计算机模拟。

形成黑洞

吉田教授与他在奥斯汀的德克萨斯大学和德国的图宾根大学的合作者一起，使用计算机模拟技术，通过给出宇宙参数程序来重建早期宇宙的条件，这些参数是由天文学家根据早期宇宙组成的测量数据计算出来的。吉田教授说:“我们将努力使这个模拟状态尽可能接近我们实际观察到的状态，并使模拟的宇宙随着时间而进化。”

根据这个团队对模拟宇宙的研究，在宇宙的某些部分，来自暗物质的能量会在大爆炸中离开高速流动的气体中原来的氢和氦。爆炸后，研究人员最近发现，这些早期气体在某些区域加速，达到了吉田教授所说的“难以置信”的速度——或“超快速风”。吉田教授说:“你可以想象你很难抓住它们，因为气体移动得很快。”他说，当你把手放在消防水龙带的喷口上时，你的手会被那股力量冲回去。"阻止这种超级风的唯一方法是创造足够强的重力."他这么说的。这些研究人员在早期宇宙中每30亿光年的广阔区域内计算出这种重力，在那里有足够的暗物质提供重力来捕获这些气体——就像有足够的力量将消防管道中的水推回相反的方向一样。气体和暗物质之间的引力形成了巨大的气体云，阻止了小行星的形成。

这个气体云非常大，质量相当于200万个太阳，在宇宙中以310 km/s的速度高速飞行，预计3000万年后与银河系相撞

来源:网易

然后，这种模拟气体坍缩成一颗巨星，这颗巨星继续吞噬更多的气体，直到它达到太阳质量的34000倍。这种假设的大质量恒星只有在它的成分只有氢和氦的情况下才能存在——在任何一颗恒星发生超新星爆炸之前，在早期宇宙中的两种元素的气体周围都会产生碳、氮、氧等较重的元素。超大质量恒星的想法以前也有人提出过，但这是第一个模拟它的团队。吉田教授说:“我们的计算机模拟结果表明，这种现象确实发生了，这颗巨大的恒星确实可以形成。”。当恒星达到一定质量时，就会坍缩，产生超大黑洞种子；他说“黑洞种子是自然产生的，这就是为什么我认为这是最终的答案，至少是对黑洞起源问题的答案”，但并不是每个人都同意这种观点