BBC - 《地平線：超大質量黑洞》

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BBC - 《地平線：超大質量黑洞》
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《地平線:超大質量黑洞》，是BBC地平線節目的一個科普記錄片，發行時間為2000年，主要講述了超大質量黑洞與它們的寄主星系之間，存在著一個比例關係。

【片名】BBC.Horizo​​n.Supermassive.Black.Holes

【譯名】BBC.地平線.超大質量黑洞  
【年代】2000  
【國家】美國  
【類別】紀錄  
【語言】英語  
【字幕】中文  
【資源類型】DVDRip

                               
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超大質量黑洞

《地平線：超大質量黑洞》 - 內容簡介：

過去十年來，天文學家已經確認了一個驚人的事實，超大質量黑洞與它們的寄主星系之間，存在著一個比例關係。黑洞的質量越大，星系球狀結構（可能是整個橢圓星系，或者是旋渦星系的中央核球）的質量也就越大。這種M-sigma關係向天文學家透露，星系的演化和它們的超大質量黑洞是緊密聯繫在一起的。直到最近，這種關係還只是被應用在大中型星系之中，天文學家已經發現的超大質量黑洞都位於那些星系的中心。但在2006年6月10日的《天體物理雜誌通訊（Astrophysical Journal Letters）》上即將發表的一篇論文中，勞拉•費拉雷斯（Laura Ferrarese，加拿大赫茨伯格天體物理研究所）和11位同事聲稱，這個關係可以一直延伸到質量極低的星系中，不過形式上需要進行一些修正。這個小組研究了100個橢圓星系，它們是哈勃太空望遠鏡在對室女星系團進行深度巡天時拍攝的，包括了從巨橢圓星係到矮橢圓星系的各種類型。再結合亞利桑那州基特峰上的幾台望遠鏡所進行的光譜觀測，他們發現，幾乎只存在於較暗淡星系中的緻密恆星狀核心，它們的質量與其寄主星系遵循著與超大質量黑洞相同的比例關係。他們還發現，位於我們本星系群中的兩個低質量星系——三角座中的M33和仙女座大星系的一個伴星系M110（NGC 205）——的核心，也滿足同樣的關係。這兩個星係都沒有顯示出超大質量黑洞存在的證據。

                               
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圖A:星系中心的緻密天體與星系球狀結構的關係圖

《地平線：超大質量黑洞》 - 圖片說明
圖A中的縱坐標是中心緻密天體的質量，橫坐標是星系球狀結構的質量。黑色數據點表示黑洞，紅色數據點表示恆星狀核心，M110和M33則用特殊的符號標出。從圖中可以看到，它們的質量都滿足了同一種比例關係。Source: Laura Ferrarese. 這個結果暗示，所有的星係也許都會形成緻密的中心天體——不是一個超大質量黑洞，就是一個緻密的星團——它們大約包含了星系球狀結構質量的0.2%。這個小組推測，緻密的恆星狀核心可能是“流產的黑洞”——這個系統中的物質沒能一直坍縮成自然界的終級深淵。這個結論還得到了另一項研究工作的進一步支持，那項研究是由伊麗莎白•韋納（Elizabeth Wehner）和威廉•哈里斯（William Harris，加拿大麥克馬司特大學），還有約恩•羅薩（Joern Rossa，美國太空望遠鏡科學研究所）共同完成的。“我們發現這個結果時相當興奮，因為我認為，它為星系形成之謎增添了另一份重要的信息，”費拉雷斯說。“緻密核心與超大質量黑洞一樣，是星系的一個基本組成部分。解釋它們的形成過程，也許可以為星系本身的形成機制提供重要的線索。”

                               
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超重黑洞從吸積盤中吸積的概念圖。

《地平線：超大質量黑洞》 - 相關知識
超重黑洞是一種黑洞，其質量是105至1010倍的太陽質量。現時一般相信，在所有的星系的銀心，包括銀河系在內，都會有超重黑洞。

比較
超重黑洞與其他相對較低質量的黑洞比較下，有一些有趣的區別：
超重黑洞的平均密度可以很低，甚至比空氣的密度還要低。這是因為史瓦西半徑是與其質量成正比，而密度則是與體積成反比。由於球體（如非旋轉黑洞的事件視界）的體積是與半徑的立方成正比，而質量差不多以直線增長，體積的增長率則會更大。故此，密度會隨黑洞半徑的增長而減少。
在事件視界附近的潮汐力會明顯的較弱。由於中央引力奇點距離事件視界很遠，若假想一個太空人向黑洞的中央移動時，他不會感受到明顯的潮汐力，直至他到達黑洞的深處。

                               
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上：藝術家描繪超重黑洞從鄰近的星體上抽走物質。
左下：超重黑洞的X光映像。
右下：超重黑洞的光學映像

形成
超重黑洞的形成有幾個方法。最明顯的是以緩慢的吸積（由恆星的大小開始）來形成。另一個方法涉及氣雲萎縮成數十萬太陽質量以上的相對論星體。該星體會因其核心產生正負電子對所造成的徑向擾動而開始出現不穩定狀態，並會直接在沒有形成超新星的情況下萎縮成黑洞。第三個方法涉及了正在核塌縮的高密度星團，它那負熱容會促使核心的分散速度成為相對論速度。最後是在大爆炸的瞬間從外壓製造太初黑洞。
形成超重黑洞的問題在於如何將足夠的物質加入在足夠細小的體積內。要做到這個情況，差不多要將物質內所有的角動量移走。向外移走角動量的過程就是限制黑洞膨脹的因素，並會導致形成吸積盤。
根據觀測，黑洞的類別有着一些差距。一些從恆星塌縮的黑洞，最多約有10太陽質量。最小的超重黑洞約有數十萬太陽質量。但卻沒有在它們之間質量的黑洞。不過，有模型指異常明亮的X射線源有可能是在這個遺失範圍的黑洞。

都卜勒效應量度
直接量度圍繞鄰近星系核心的水邁射的都卜勒效應，只有在中央高物質密度的情況下，才可以發現很快速的開普勒運動。現時唯一已知可以在細小空間中包含足夠物質的是黑洞，或是在天體物理學上很短的時間內將變成黑洞的物體。對於較遠的活躍星系，寬譜線的闊度可以用來探測圍繞近視界的氣體。反射繪圖的技術就是利用這些譜線的變化來量度其質量，而黑洞的旋轉有可能加速了活躍星系的「引擎」能量。

在很多星系中心的超重黑洞被認為是活躍星系（如賽弗特星系及類星體）的「引擎」。馬普地外物理研究所及洛杉磯加利福尼亞大學基於歐洲南天文台及凱克天文台的數據，提供了證據指人馬座A*就是在銀河系中心的超重黑洞。根據計算，它可能有260萬倍的太陽質量。

                               
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類星體3C273的可見光照片，由哈勃太空望遠鏡拍攝

P.S.類星體，又稱為似星體、魁霎或類星無線電源，與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一道並稱為1960年代天文學「四大發現」。
類星體的輻射功率遠遠超過了普通星系，有的竟達到銀河系輻射總功率的數萬倍。
活動星系核模型:20世紀90年代中期，隨着觀測技術的提高，類星體的謎團開始逐漸被揭開。其中一個重要的成果是觀測到了類星體的宿主星系，並且測出了它們的紅移值。由於類星體的光芒過於明亮，掩蓋了宿主星系相對暗淡的光線，所以宿主星系之前並沒有引起人們的注意。直到在望遠鏡上安裝了類似觀測太陽大氣用的日冕儀一樣的儀器，遮擋住類星體明亮的光，才觀測到了它們所處的宿主星系。
越來越多的證據顯示，類星體實際是一類活動星系核(AGN)。而在同一時期，賽弗特星系和蠍虎BL天體也被證實為是活動星系核，一種試圖統一無線電星系、類星體、賽弗特星系和蠍虎BL天體的活動星系核模型逐漸受到普遍認可。
這個活動星系核模型認為，在星系的核心位置有一個超大質量黑洞，在黑洞的強大引力作用下，附近的塵埃、氣體以及一部分恆星物質圍繞在黑洞周圍，形成了一個高速旋轉的巨大的吸積盤。在吸積盤內側靠近黑洞視界的地方，物質掉入黑洞里，伴隨着巨大的能量輻射，形成了物質噴流。而強大的磁場又約束着這些物質噴流，使它們只能夠沿着磁軸的方向，通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流剛好對着觀察者，就觀測到了類星體，如果觀察者觀測活動星系核的視角有所不同，活動星系核則分別表現為無線電星系、賽弗特星系和蠍虎BL天體。這樣一來，類星體的能量疑難初步得到解決。
類星體與一般的那些「平靜」的星系核不同之處在於，類星體是年輕的、活躍的星系核。由類星體具有較大的紅移值，距離很遙遠這一事實可以推想，我們所看到的類星體實際上是它們許多年以前的樣子，而類星體本身很可能是星系演化早期普遍經歷的一個階段。隨着星系核心附近「燃料」逐漸耗盡，類星體將會演化成普通的螺旋星系和橢圓星系。

銀河系以外的超重黑洞
銀河系以外的超重黑洞於2004年5月，Paolo Padovani及其他天文學家發表他們發現了在銀河系以外30個超重黑洞。他們的發現令我們知道超重黑洞的數量最少是以往所知的兩倍。現時相信每一個星系的中央包含一個超重黑洞，而它們大部份都處於「不活躍」的狀態且吸積不多。相反在球狀星團的中央卻沒有黑洞，不過相信一些如在飛馬座的M15及在仙女座星系的Mayall II的中央仍有黑洞，估計質量約有104的太陽質量。
一些星系，如0402+379星系有兩個超重黑洞，形成一個二元系統。若它們相撞，將會產生強勁的重力波。

                               
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0402 379 藝術家的構想圖像 : 4C 37.11或 0402 379星系是一個電波星系和橢圓星系，有兩個超重黑洞，形成一個二元系統。截至2006年。兩者之間的分離是24 光年，或7.3 秒差距，與軌道週期為15萬年。

歷史
一些星系，如0402+379星係有兩個超大質量黑洞，形成一個二元系統。若它們相撞，將會產生強勁的重力波。最新超級計算機模型顯示，星系中心超大質量黑洞可能起源於宇宙最早期星系碰撞質量是太陽數百萬倍至數十億倍的超大質量黑洞通常存在於每個星系的中心區域，天文學家現發現超大質量黑洞存在於宇宙形成之初的10億年內。目前，超級計算機計算顯示，宇宙早期超大質量原星系之間的合併為超大質量黑洞的孕育提供了“滋養平台”。宇宙誕生於137億年前。在宇宙早期，巨型原始星系之間的合併十分普遍，超級計算機模擬顯示這種原始星系碰撞合併形成一種不穩定、旋轉氣體盤狀結構，其中的漏斗狀氣體僅在10萬年內就逐漸堆積形成太陽質量1億多倍的微型氣體雲。該氣體雲崩潰形成黑洞，致使該黑洞在大約1億年里通過從周圍盤狀結構吸取氣體形成太陽10億倍的質量。此前天文學家曾認為超大質量黑洞、星系和其它巨型星系結構通過逐漸引力吸引宇宙物質，最終形成質量越來越大的星系結構。美國俄亥俄州大學天文學家斯特利奧斯-卡贊特茲迪斯(Stelios Kazantzidis)是該研究報告合著作者之一，他說：“我們的研究結果顯示星系和超大質量黑洞在內的較大宇宙結構體在宇宙歷史進程中形成時間很短暫。”他指出，這項最新研究對於我們理解黑洞和星系的進化具有更深遠的意義。卡贊特茲解釋稱，依據傳統理論，星系的性質和其中心的黑洞質量密切相關，兩者處於“平行生長關係”，但這一理論現應當進行修改。在我們的最新超級計算機模型中，黑洞的生長速度快於星系，因此黑洞並不完全受星系的增長所控制。瑞士蘇黎世大學天體物理學家盧西奧-梅耶(Lucio Mayer)是該項研究負責人，他指出，該模型的一個重要結論是宇宙最早期的星系中心區域擁有比之前預期更大的超大質量黑洞。這項最新發現將有助天文學家更好地揭開神秘的引力波，依據愛因斯坦的廣義相對論，遠古星系合併將形成壯觀的引力波，所形成的漣漪在時空和太空中的殘留部分仍能探測到。目前，這項科學研究發表在8月26日出版的《自然》雜誌上。

超重黑洞質量與星系形成
超重黑洞質量與星系形成超重黑洞的質量與其身處的星系形態有關。這顯示了星系球體的質量與超重黑洞的質量有着相互的關連。而黑洞的質量亦與星系的分散速度有着更緊密的關連。但是這個關連卻未被解開。