超大质量黑洞的极限究竟能有多大

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原作：Robert Lea

翻译：张家媛

编排：邓宇

后台：李子琦

How big can 'ultramassive' black holes get? Scientists may have the answer | Space

此插画展示了一个超大质量黑洞，黑洞周围环绕着供其吞噬的气体和尘埃，帮助其增长

（图片来源：Robert Lea（使用Canva制作）/NASA）。

科学家认为，所有大质量星系的核心都潜伏着特大质量黑洞，这些宇宙巨兽的质量相当于数百万甚至数十亿颗太阳。然而，一些黑洞甚至仍能超出这巨大的质量，成为“超大质量黑洞”。

目前我们所知道的质量最大的黑洞是凤凰A，它位于凤凰星团的中心，而凤凰星团是已知的最重星团之一。凤凰A距离我们约58亿光年，质量估计约为1000亿颗太阳。另一个巨型黑洞是托南钦特拉618（Ton 618），距离约10亿光年，质量约为660亿颗太阳。

既然有像凤凰A和托南钦特拉618这样的超大质量黑洞存在，你或许会好奇，黑洞质量是否存在一个极限？这种极限到底能有多大？

科学家们也一直在思考这个问题，一个由耶鲁大学天文学系的Priyamvada Natarajan领导的团队认为他们可能找到了答案。

“我们将超大质量黑洞定义为质量超过100亿倍太阳质量的黑洞，”Natarajan在接受Space.com采访时表示，“特大质量黑洞的定义是质量超过1000万倍太阳质量。因此，超大质量黑洞的质量，平均来讲，是特大质量黑洞的10000倍。”

一张位于M87星系中心的超大质量黑洞及其阴影的图像。（图像来源：EHT合作组）

在哪里寻找超大质量黑洞？

在科学家研究超大质量黑洞之前，他们首先需要确定这些宇宙巨型黑洞的“栖息地”。Natarajan解释道，线索之一来自于一个客观事实：中央特大质量黑洞的质量似乎与宿主星系中恒星的质量相关联。拥有更多恒星的星系，因而具有更大的“恒星质量”，应当拥有更为巨大的特大质量黑洞。

“这种比例关系表明，黑洞的成长方式与其宿主星系中恒星的形成之间存在深刻而深远的联系，”Natarajan说道。

因此，质量最为庞大的超大质量黑洞应当位于最明亮、恒星最多的星系中。在星系团中心的最亮星系，被称为“最亮中心星系（BCGs）”，便是藏匿超大质量黑洞的理想候选地。

“我们发现超大质量黑洞的地方正是我们研究结果预测的位置——即附近BCGs的中心。令我惊讶的是，各种大小的黑洞几乎遍布整个宇宙，”Natarajan说道。

这位天文学家补充道：“星系似乎拥有多种黑洞种群，根据星系的亮度，中心可能是一个超大质量黑洞或特大质量黑洞；此外，还有一整群游荡的黑洞，这些黑洞并不集中在中心，分布在各处，它们的质量从特大质量黑洞到较小质量的黑洞不等。”

一张NASA动画的截图，突显了宇宙中一些最大的黑洞的情况，其中包括TON 618，它的质量大约是600亿个太阳的质量。（图像来源：NASA）

那么，为什么

黑洞的质量会有上限呢？

这些主宰星系的巨型黑洞难道不能继续无限制地增长吗？它们唯一的限制难道不是它们能够“进食”的气体、尘埃和恒星的数量，以及它们有多长时间进行“吞噬”吗？

事实证明，黑洞的成长是有限制的，甚至其实是它们自己对这一增长设定了上限。

“根据我们提出的理论观点，特大质量黑洞会抑制自己的增长，”Natarajan解释道。“我们预期发生的过程是这样的：气体流入星系的中心，供给特大质量黑洞。然而，并不是所有的气体都会完全进入特大质量黑洞的事件视界并被吸积进去。实际上，只有一小部分气体能够进入，剩下的则被黑洞‘吐’出来。它们是非常邋遢的吃货！”

一幅展示由超大质量黑洞供能的星系中心活动区域的插图，黑洞正在向外喷射气体外流。（图像来源：JAXA）

那些没有掉进黑洞的气体会被喷射出去，形成强大且迅速移动的外流或“天体物理喷流”，这些喷流能够延伸到宿主星系外数十光年之远。

这些外流最终会撞击到远离黑洞源头的气体，这些气体位于周围星系的更远处，外流会加热并转变这些气体，直接影响到星系内星星的诞生。这是因为星星是在气体和尘埃云冷却并凝结时形成的。喷流通过加热气体并阻止其凝结，从而抑制了星星的形成，Natarajan解释道。

这些喷流的作用还将气体推离星系的中心区域，切断了流向中央黑洞的“食物来源”，从而自我调节外流的过程。这意味着黑洞的成长存在一个自然的反馈机制。

Natarajan表示，一旦星系内区域的气体被完全消耗，且没有更多气体能够从星系的其他部分流入中心区域，黑洞的成长就会受到干扰，从而使其增长受到抑制。

一张展示超大质量黑洞、特大质量黑洞和恒星质量黑洞质量范围的图表。（图像来源：Robert Lea（使用Canva创作））

考虑到黑洞的成长方式以及似乎能切断其食物供应并抑制其增长的自然反馈机制，Natarajan表示，超大质量黑洞的质量上限约为1000亿个太阳质量。

这意味着，如果Natarajan和她的同事是正确的，那么凤凰A可能不仅仅是我们迄今为止探测到的最为庞大的黑洞——它可能也是我们将来能够探测到的最大黑洞，因为它正好位于这一限制。

Natarajan和她的团队并没有停止研究黑洞，但她们正在将焦点转向那些质量较小但同样引人入胜的宇宙巨物。

该团队计划研究质量介于特大质量黑洞和恒星质量黑洞之间的黑洞。后者的质量大约是太阳的100倍，通常是通过大质量恒星在生命末期的坍塌形成的。介于特大质量黑洞和恒星质量黑洞之间的这一类黑洞被称为“中等质量黑洞”，它们一直是天文学家追寻的难题。

“接下来的目标是填补特大质量黑洞和恒星质量黑洞之间的空白，”Natarajan总结道，“应该有大量质量在太阳的1,000到10,000倍之间的中等质量黑洞，尽管我们现在才慢慢开始发现它们。”

该团队的研究已发表于论文存档网站arXiv.‘

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

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