【菜科解读】

我们都知道小质量黑洞怎么来的，8倍太阳质量以上的恒星死亡后都会演化为较小质量的黑洞，但是例如我们银河系中心400万个太阳质量、M87星系中心65亿个太阳质量的黑洞怎么来的？有这么大的恒星能通过超新星演化出这么大的黑洞吗？显然不可能！

所以我们今天就了解下宇宙早期的超大质量黑洞演化过程，它咋来的！

先了解下我们银河系的超大质量黑洞是怎样被发现的

银河是夜空中光明与黑暗的交织，它包含了我们所能看到的所有恒星，从年轻到古老，有大有小，颜色各异，中间夹杂着昏暗的气体云，绵延数十万光年，而我们就是其中的一份子！

但是在我们星系的中心，在核心的深处，包含着一个与众不同的天体。

由于中性气体和尘埃的阻挡，星系的中心在可见光谱中完全看不见，所以我们只能在太空中通过非常特定的波长，才能成功地观察到星系中心的情况。

当我们真正看到星系的中心时，又会注意到一个特殊的区域从附近其他区域中脱颖而出，它略显不同！

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上图就是一些银河系中心观测结果，分别是：斯皮策望远镜红外线观测结果、哈勃的近红外线结果、钱德拉x射线结果！

黄色小框中明亮的地方，是银河系最内部，最中心的区域，可以看出在每个波长上它都比其他地方更加明亮。

如果我们用最高分辨率的无线电望远镜，继续往里面看，我们会发现什么？

很明显，成千上万颗恒星挤在一个空间区域里，一片混乱，啥也看不到。

那我们继续放大，在年轻、炽热的恒星之间，在人马座A*这个非常小、非常特殊的位置上，有一个明亮的射电源。

下图：

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注意上图中黄色箭头标识的区域，在照片中前景恒星的衬托下，是不是显的十分微小！这也没啥特殊的。

但是周围的恒星正以非常惊人的速度绕着这个位置中的某个物体旋转，根据万有引力定律，这个物体的质量至少是太阳质量的400万倍。

这么大？这个玩意是啥？我想你应该猜到了！

而且这个物体还不发光，现在知道这是什么了吧！这就是为什么我们知道我们的星系中心有一个超大质量黑洞。

事实上每个星系都有一个，星系越大，中心的黑洞就越大。

但是我们银河系中心位置不止这一个最大的黑洞，周围应该还有中型、小型黑洞，因为这里的恒星杂乱无章，运动的毫无章法可言。

超大质量黑洞在大多数时间都处于休眠状态，或者不活跃，因此，就像银河系这种黑洞一样，很难被探测到。

（这也是我们为什么要观测M87星系的黑洞，因为M87黑洞有66亿个太阳质量，异常活跃！）

但是用我们用钱德拉x射线望远镜深入宇宙，我们能够看到宇宙中至少有3亿个活跃的超级大质量黑洞。

所以有一件事就特别奇怪，在宇宙的早期阶段，那时最早的超大质量黑洞比我们想象的要大得多。

那么为什么这些超大质量黑洞在宇宙早期就会形成，为什么它们的质量增长的如此迅速快?

宇宙早期原料很丰富，我们来看下早期形成的超大质量恒星

我们知道超新星爆发时，要么留下中子星、要么就是黑洞，但是留下的只是一个质量为太阳质量几倍、几十倍的黑洞。

你应该没听说过一个超新星爆发后留下一个几百万、甚至几十亿个太阳质量的黑洞吧！那这个原始恒星应该大到无法想象。

也许我们只说过的最大的超新星产生了一个20到30倍太阳质量的黑洞，这个可以理解。

但这很难解释为什么宇宙中有数百万个或数十亿个太阳质量的黑洞。

要理解这些超级黑洞是怎样产生的，我们就需要回到宇宙的早期阶段：在我们的太阳系存在之前，在大星系团合并和形成之前，在几代恒星生存和死亡之前，甚至在最初的气体云和尘埃坍缩形成恒星之前。

那么这是什么时候？对！就是俗称的黑暗时期！

这时的宇宙相对均匀、密度最大的区域开始收缩...

最终，氢和氦在某个地方达到了足够高的密度，点燃了宇宙中的第一次核聚变，也引发了恒星的相继诞生。

我们要知道这时的宇宙中，氢和氦的总量大约是10^23个太阳质量，原始材料极为丰富！而每一个不同的区域形成的第一个恒星质量，从几百万个太阳质量到几十万个太阳质量不等！都是一些巨大的怪物！

等这些超级恒星形成以后，而剩下的残羹剩饭就像我们目前宇宙所有的恒星形成区域一样，宇宙将会继续形成各种各样的恒星。

这时形成的大多数恒星寿命较长、亮度较暗、质量较低。

超大质量恒星的不同命运

那些质量最大、最热、最亮、最蓝、寿命最短的恒星，会出现3种命运：

Q1、一部分大质量恒星将在其核心形成重元素 最终形成行星，最终成为超新星 丰富宇宙，核心坍缩形成较小的黑洞，也就是我们目前最熟悉的黑洞诞生的过程！

Q2、那些质量超过太130个太阳质量的极端恒星，脾气就更加暴躁了。

这些恒星的内部能量非常高，产生的光子并不会直接辐射出来，而是像宇宙早期一样，光子在超高的能量下形成了正反物质对，而正反物质对拥有较低的运动速度，给恒星的内部带来了一定的不稳定性，不能提供正常的辐射压力，最终恒星在没有燃烧完燃料时，整个恒星所有的物质就会快速向内塌缩，导致失控的核聚变，从而将整个恒星摧毁，但是这时大多数恒星的物质都会坍缩成为黑洞。

当然，这个过程并不能帮助创造一个超大质量的黑洞。

Q3、事实是，以上的情况只适用于质量大于130个太阳质量，小于250个太阳质量的恒星。

如果恒星的质量比250个太阳质量还要大，在恒星的内部就会开始产生能量巨大的伽马射线，这些伽马射线会把之前生成的重原子核电离成轻元素 氦和氢，从而使得恒星内部冷却。

在一颗质量超过250个太阳质量的恒星中，它会完全坍缩成一个黑洞。

260个太阳质量的恒星会产生一个260个太阳质量的黑洞，1000个太阳质量的恒星会产生一个1000个太阳质量的黑洞，等等。

现在的问题是，这些恒星制造的黑洞单个质量还是不够目前的要求！但是只要量多这事就好办？因为黑洞可以通过吸积附近的恒星、互相合并慢慢长大！

狼蛛星云，宇宙早期星系演化、超大质量黑洞形成的缩影

那么宇宙能否在一片区域内大量制造了这些恒星使它们能够成长为早期超大质量黑洞？为了回答这个问题，我们将目光转向局部星系群中最大的恒星形成区域：位于大麦哲伦星系中的狼蛛星云。

看看宇宙有没有这个能力！

狼蛛星云的空间区域跨度近1000光年，中心是巨大的恒星形成区域R136，包含了大约45万个太阳质量的新恒星。

整个星系十分活跃，并且不断地形成新的大质量恒星。

对于宇宙早期的星云来说这个真的是小儿科，但是这也是早期的一个缩影！我们继续往下看：

如此活跃地星云，也理所当然的创造了离我们最近的超新星SN 1987a！它位于狼蛛星云的外围。

在R136的中心地区，充满了炽热明亮的蓝色恒星。

我们可以看到，在众多蓝色的恒星的旁边有一颗另类的红色恒星。

它很有可能成为我们夜空中的下一个超新星！

但是即使它形成了一个黑洞，也不会形成一个非常大的黑洞。

我们需要在这寻找一个质量超过太阳250倍的恒星。

在狼蛛星云中其实就有一个：

人类已知的最大恒星：R136a1，有265个太阳质量，可是R136a1并不会坍缩成一个265个太阳质量的黑洞！因为它的核心在形成时就已经有了大量的重元素，但在早期宇宙中，没有重元素的存在，所有超过这个质量阈值的恒星将简单地转换成黑洞!

总结：超大质量黑洞和星系的形成是一个不断融合、吸积、演化的过程

我们知道星系是在早期宇宙中形成的，由于坍缩恒星形成区域的快速合并和增长，这些早期形成的大小黑洞将会彼此融合，不断膨胀，在所有物质的中心形成越来越大的黑洞，这样宇宙的第一个大星系就形成了。

假如每50万个太阳质量的恒星只能得到一个250个太阳质量的黑洞，这意味着一个星系的中心要有1亿-2亿个太阳质量的黑洞，就需要大约20-4000亿个太阳质量的恒星！那么你觉着作对宇宙的早期是一件难事吗？

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天文学家重建星系演化史

## 艺术家构想图展示了巨型螺旋星系NGC1365与一个较小伴星系发生碰撞并逐渐并合的过程，这一过程激发了剧烈的恒星形成活动，并导致气体及重元素的重新分布。

天文学家运用一种新型空间考古学技术，通过分析星系气体中的化学特征，重建了NGC1365在漫长宇宙历史中的演化历程。

图片来源：MelissaWeiss／哈佛史密松天体物理中心 通过分析遥远星系的化学指纹，天文学家重建了其长达120亿年的演化历程。

这一新方法有助于揭示星系——包括银河系在内——在宇宙时间尺度上是如何形成的。

由哈佛史密松天体物理中心领衔的一支天文学家团队，首次将星系考古学方法应用于银河系以外的星系，以揭示其演化历史。

该方法通过分析空间中遗留的化学特征，重建星系的形成与演化过程。

这项研究成果发表于《自然天文学》杂志，提出了一种强大的新方法，用于重建遥远星系的演化历史。

该研究还有助于确立一个名为星系考古学的新兴研究领域。

这是我们首次在银河系以外的星系中，以如此精细的程度应用化学考古学方法。

论文第一作者、哈佛大学教授兼天体物理学中心主任丽莎凯利说，我们希望理解自身起源：银河系是如何形成的？我们今天呼吸的氧气又是如何产生的？ 利用化学指纹绘制星系地图 为开展此项研究，研究人员使用了TYPHOON巡天项目的数据，这些数据由拉斯坎帕纳斯天文台的伊雷内杜邦望远镜采集。

他们聚焦于NGC1365——一个从地球视角看呈正面朝向的邻近旋涡星系，这种朝向使其细节更易于观测。

这使得研究团队能够分离并分析其中正在形成新恒星的各个区域。

年轻的炽热恒星发出强烈的紫外光，激发周围气体。

这一过程使氧等元素产生特征性的窄谱线。

通过分析这些光谱模式，科学家能够研究元素在星系中的分布情况。

天文学家长期以来一直知道，星系中心往往含有更高浓度的氧等重元素，而外围区域则较少。

这些分布模式受到多种过程的影响，包括恒星形成和超新星爆发的时间与位置、气体在星系内外的流动，以及与其他星系过去的相互作用。

螺旋星系NGC1365的六幅视图，源自其光谱测光数据立方体，该数据立方体由TYPHOON巡天项目获取。

最左侧为宽带图像，通过平衡B（蓝）、V（可见光）和R（红）波段的连续谱图像，近似呈现人眼所见的星系外观。

其右侧为窄带图像，从TYPHOON数据立方体中提取，中心波长对准电离氢的Hα谱线。

单个HII区清晰可见，这些区域由炽热、高光度的O型与B型恒星提供能量，勾勒出两条宏伟的旋臂结构。

接下来的三幅图像为分别以其他诊断性发射线（氮、硫以及三种诊断线的合成图像）为中心的数据切片。

最后一幅图展示了NGC1365经颜色编码的视向速度场。

致谢：B.Madore，卡内基科学研究所天文台 重建120亿年的星系演化历程 通过追踪NGC1365中氧含量的空间分布变化，并将观测结果与Illustris项目提供的先进数值模拟进行比对，研究团队得以重建该星系数十亿年来的演化历程。

这些模拟涵盖了气体运动、恒星形成、黑洞活动以及化学成分演化等关键物理过程，时间跨度从宇宙早期延续至今。

他们的分析表明，该星系的中心区域形成较早，并迅速富集了氧元素。

相比之下，外围区域则通过数十亿年间与多个矮星系的反复碰撞逐渐演化而成。

外侧的旋臂似乎形成时间较晚，很可能是由这些并合事件带来的气体和恒星逐步构建起来的。

看到我们的模拟结果与另一个星系的数据如此接近，非常令人兴奋，哈佛大学天体物理学家、哈佛史密松天体物理中心的天文学家拉尔斯赫尼格说。

这项研究显示，我们在计算机上模拟的天文学过程正在数十亿年间塑造着像NGC1365这样的星系。

一种理解星系的新工具 总体而言，研究结果表明NGC1365最初是一个相对较小的系统，随后通过多次与较小邻近星系的并合，逐渐演化成一个巨大的旋涡星系。

凯利表示，这项工作展示了星系气体中的化学特征如何揭示其过往历史，从而确立了河外星系考古学作为天文学中一种有价值的新工具。

这项研究很好地展示了理论如何直接助力观测工作。

我认为，这项研究还将影响理论研究者与观测研究者之间的协作方式，因为该项目中理论研究与观测工作各占一半，二者缺一不可。

唯有理论与观测紧密结合，才能得出这些结论。

这对银河系意味着什么 研究NGC1365等与银河系具有相似特征的星系，有助于科学家更深入地理解银河系的起源，并判断其演化历史在宇宙中是否具有代表性或属于特例。

所有旋涡星系都是以相似的方式形成的吗？凯利问道，它们的形成过程是否存在差异？它们现在的氧元素分布在哪里？我们的银河系在哪些方面有所不同，或者是否具有独特之处？这些问题正是我们想要解答的。

BY: Smithsonian FY: AI 如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除 转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处