新研究预测宇宙中最大超大质量黑洞的质量

　　在这幅图中，一个超大质量黑洞发射出一束高能粒子。鸣谢:美国宇航局/JPL加州理工学院

　　据科罗拉多大学博尔德分校（丹尼尔·斯特兰）：在银河系中心附近坐落着一个巨大的天体，天文学家称之为人马座A*。这个“超大质量”黑洞可能与我们的星系同步增长，而且它并不孤单。科学家怀疑类似的庞然大物潜伏在宇宙中几乎所有大型星系的中心。

　　科罗拉多大学博尔德分校天体物理学和行星科学系的博士后研究员约瑟夫·西蒙说，有些可能会变得非常大。

　　“我们星系中心的黑洞是太阳质量的数百万倍，但我们也看到了其他我们认为是太阳质量数十亿倍的黑洞，”他说。

　　这位天体物理学家致力于研究这些难以观测的物体的行为。在最近的一项研究中，他利用计算机模拟或“模型”来预测宇宙中最大的超大质量黑洞的质量——这是一个被称为黑洞质量函数的数学概念。

　　换句话说，西蒙试图确定，如果你能把这些黑洞一个一个放在一个巨大的尺度上，你会发现什么。

　　他的计算表明，数十亿年前，黑洞的平均体积可能比科学家们曾经怀疑的要大得多。这些发现可能有助于研究人员揭开一个更大的谜团，阐明在人马座A*等天体从小黑洞成长为今天的巨型天体的过程中，形成这些天体的力量。

　　西蒙说:“我们开始从各种不同的来源看到，从很早的时候开始，宇宙中就有相当大的物质存在。”

　　他在5月30日的《天体物理学杂志快报》上发表了他的发现。

　　银河交响曲

　　对西蒙来说，那些“相当大的东西”是他的面包和黄油。

　　这位天体物理学家是第二个研究项目的一部分，该项目名为北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)。通过这个项目，西蒙和美国和加拿大的数百名其他科学家花了15年时间寻找一种被称为“引力波背景”的现象这个概念指的是引力波的稳定流动，或空间和时间中的巨大波纹，在宇宙中以近乎恒定的方式波动。

　　这种宇宙搅动也源于超大质量黑洞。西蒙解释说，如果两个星系在太空中相撞，它们的中心黑洞也可能会发生碰撞，甚至合并。它们一圈又一圈地旋转，然后像管弦乐队中的两个钹一样砰地撞击在一起——只有这种钹撞击才会产生引力波，真正扭曲了宇宙的结构。

　　然而，为了理解引力波背景，科学家首先需要知道宇宙的超大质量黑洞到底有多大。西蒙说，更大的钹会产生更大的爆炸，产生更大的引力波。

　　只有一个问题。

　　“对于我们自己的星系和附近的星系，我们有非常好的超大质量黑洞的测量方法，”他说。“我们没有对更远的星系进行同样的测量。我们只需要猜测。”

　　上升中的黑洞

　　在他的新研究中，西蒙决定用一种全新的方式来猜测。

　　首先，他收集了几十万个星系的信息，有些已经有几十亿年的历史了。(光的传播速度只能有这么快，所以当人类观察更远的星系时，他们是在回顾过去)。西蒙利用这些信息计算出宇宙中最大星系的近似黑洞质量。然后，他利用计算机模型来模拟这些星系可能产生的引力波背景，目前正在冲刷地球。

　　西蒙的结果揭示了宇宙中大约40亿年前超大质量黑洞的完整大杂烩。他还注意到一些奇怪的事情:数十亿年前，遍布宇宙的大型星系似乎比一些先前的研究预测的要多得多。那没有多大意义。

　　“人们一直期望你只能在附近的宇宙中看到这些真正巨大的系统，”西蒙说。"黑洞的成长需要时间."

　　然而，他的研究增加了越来越多的证据，表明它们可能不像天体物理学家曾经认为的那样需要那么多时间。例如，NANOGrav团队已经看到了类似的迹象，表明数十亿年前宇宙中隐藏着巨大的黑洞。

　　目前，西蒙希望探索更久远的黑洞的全部范围——揭示银河系以及最终我们的太阳系如何形成的线索。

　　西蒙说:“了解黑洞的质量对一些基础问题至关重要，如引力波背景，以及星系如何增长和我们的宇宙如何演变。”