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《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。

1 《地平線:超大質量黑洞》 -基本資料

【片名】BBC.Horizon.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 

2 《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,包括了從巨橢圓星繫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。這兩個星系都沒有顯示出超大質量黑洞存在的證據。



3 《地平線:超大質量黑洞》 -圖片說明

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

右圖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,所有的星系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。」

4 《地平線:超大質量黑洞》 -相關知識

超大質量黑洞
超大質量黑洞是一種黑洞,其質量是10至10萬倍的太陽質量。現時一般相信,在所有的星系的銀心,包括銀河系在內,都會有超大質量黑洞。


超大質量黑洞超大質量黑洞

比較
超大質量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:

超大質量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。

在事界附近的潮汐力會明顯的較弱。由於中央引力奇點距離事界很遠,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。
形成。

超大質量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。

形成超大質量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,黑洞的類別有著一些差距。一些從恆星塌縮的黑洞,最多約有10太陽質量。最小的超大質量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克卜勒運動。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大質量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大質量黑洞。根據計算,它可能有260萬倍的太陽質量。

銀河系以外的超大質量黑洞

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個超大質量黑洞。他們的發現令我們知道超大質量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大質量黑洞,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。


超大質量黑洞質量與星系形成

超大質量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大質量黑洞的質量有著相互的關連。而黑洞的質量亦與星系的分散速度有著更緊密的關連。但是這個關連卻未被解開。


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