超大质量黑洞：宇宙中心的巨兽

什么是超大质量黑洞？

超大质量黑洞是黑洞中质量最大的一类。黑洞是宇宙中引力极其强大的区域，以至于任何东西，包括光，都无法逃脱。这些黑洞的质量从太阳的数十万倍到数十亿倍不等。研究表明，几乎所有观测到的大型星系中心都存在着一个超大质量黑洞。然而，星系非常庞大，这些黑洞只占据了一小部分，其质量也远小于星系中的气体、尘埃和恒星。

每个超大质量黑洞都被一个“事件视界”所包围，这是一个有去无回的边界。任何越过这个边界的物体，都必须以超过光速的速度才能逃脱黑洞的引力，这在物理上是不可能的。如果把我们银河系中心的超大质量黑洞——人马座A*——放在太阳的位置，它的事件视界和周围的气体会刚好容纳在水星轨道之内。而对于质量更大的M87*黑洞，整个太阳系都可以被容纳在其事件视界之内。

如何研究超大质量黑洞？

直接观测超大质量黑洞非常困难。尽管它们的质量巨大，但在星系中只占据极小区域，且常被恒星和尘埃遮蔽。迄今为止，只有事件视界望远镜合作组拍摄到了两张超大质量黑洞的“照片”。因此，天文学家主要使用间接方法来研究它们。

要计算超大质量黑洞的质量，天文学家可以观察其宿主星系，并计算需要多大的质量才能对星系中的物质施加观测到的引力。正在吞噬物质的超大质量黑洞被称为“活跃”黑洞，而不吞噬物质的则被称为“非活跃”或“宁静”黑洞。

对于拥有宁静黑洞的星系，天文学家会测量星系中心附近紧密排列的恒星的运动速度。他们取这些速度的平均值，并利用一个称为“M-sigma关系”的公式，来推算出与平均速度相匹配的黑洞质量。对于拥有活跃黑洞的星系，天文学家会观测事件视界周围气体发出的光。如果假设这些气体在围绕黑洞运行，那么周围气体的宽度就对应着中心天体的质量，这提供了另一种估算质量的方法。天文学家还可以通过测量气体在落入事件视界前的光度，来了解有多少物质正在被活跃黑洞吞噬。

关于这些天体的未解之谜

天文学家还非常想弄清楚超大质量黑洞是如何形成的。虽然我们已经知道较小质量的恒星质量黑洞是如何形成的，但超大质量黑洞太大了，无法通过相同的方式形成。恒星质量黑洞是大质量恒星耗尽燃料后，核心坍缩并引发超新星爆炸后留下的遗骸。然而，形成恒星质量黑洞的恒星还不够大，不足以形成超大质量黑洞。

科学家们提出了两种关于超大质量黑洞“种子”形成的假说。这些种子是初始的黑洞，随着时间的推移不断增长，最终变成我们今天观测到的超大质量黑洞。一种假说认为，它们是早期宇宙中巨大的年轻恒星——即第三星族星——死亡后的产物。另一种假说则认为，超大质量黑洞的种子来自巨大的气体云，由于其巨大的质量和强大的引力，直接坍缩成一个黑洞。目前，这两种假说都没有直接的观测证据支持，但詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果可能有助于回答这些问题。

另一个尚未解答的主要问题是，这些超大质量黑洞是在何时形成的。这成了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：是超大质量黑洞的种子先形成，然后逐渐吸引物质，最终形成了周围的星系？还是星系先开始聚集，然后其内部的恒星和气体云坍缩形成了超大质量黑洞的种子？初步的观测结果和研究表明，前一种可能性更大，但如果真是这样，又引出了另一个问题：星系的其他部分是如何在内部存在超大质量黑洞的情况下形成和演化的？

研究它们的重要性

超大质量黑洞会影响它们的宿主星系。随着超大质量黑洞的增长，天文学家观察到星系中心星团中恒星的运动速度也在增加。这种模式表明，超大质量黑洞与星系的其他组成部分（如恒星、气体和尘埃）之间存在联系。

通常，科学家会观测到物质向内落入黑洞。但在被吸入之前，部分物质会被黑洞产生的强烈压力和摩擦形成的“风”吹回太空。这些被吹离超大质量黑洞附近的物质，可能会加热气体，阻止恒星的形成；或者压缩气体，在星系内部引发冲击波。

尽管超大质量黑洞可以影响其宿主星系，但地球绝对没有危险，不会被吸入或拉进银河系中心的黑洞。在大多数星系中，超大质量黑洞仅仅起到一个引力作用，使星系中的天体保持在轨道上。然而，对于科学家来说，理解超大质量黑洞如何影响其宿主星系，以及它们如何塑造我们对宇宙的观测，至关重要。

原标题：What are supermassive black holes? Everything you need to know about these mysterious objects。 来源：phys.org。

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