科学家提出产生超大质量黑洞的新机制

近日，中国科学院上海天文台研究员沈俊太课题组与美国罗格斯大学教授Jerry Sellwood合作，提出在宇宙早期不通过并合而形成超大质量黑洞的新机制。该机制既可以为星系并合中形成更大的超大质量黑洞提供原料种子黑洞，也可以在没有经历过并合的纯盘星系中形成较小的超大质量黑洞。相关研究成果发表在《天体物理杂志》上。

研究人员利用高精度数值模拟研究了在旋涡星系早期演化中由星系棒驱动气体内流而形成超大质量黑洞的过程。星系棒是绕中心旋转的长条状结构，由年老恒星组成，普遍存在于旋涡星系中。星系棒能造成星系中物质、角动量及能量的重新分布，是驱动旋涡星系内部演化的最重要驱动力。

目前研究显示几乎所有星系中心都存在一个超大质量黑洞，但这些黑洞的形成与质量增长机制依旧缺乏完善的理论模型。一般认为，超大质量黑洞由较小质量的种子黑洞在多次星系并合中形成，但目前观测证实宇宙最早期的几亿年内已形成许多能量极高的活动星系核（即所谓的类星体）。其中心是一个还在不断吞噬周围物质的超大质量黑洞，质量达数百亿太阳质量。这需要某种机制能够快速产生大质量种子黑洞，才可能在短时间内并合产生极早期类星体中心数百亿太阳质量的黑洞。另一方面，许多没有经典核球的旋涡星系中也探测到百万太阳质量量级的超大黑洞，而这些黑洞的形成没有经历过显著的并合过程。这意味着超大质量黑洞需要除并合之外的形成机制。“我们就是试图解决这两个方面的问题：如何快速产生大质量种子黑洞，以及如何在不经历并合的旋涡星系中形成较小的超大质量黑洞。”沈俊太说。他接着介绍道，“旋涡星系的盘状结构容易受到自身动力学不稳定性或者星系间的潮汐作用的影响而形成星系棒。我们的研究表明早期星系演化中星系棒能够驱使足够多的气体流入星系中心，为形成超大质量黑洞提供了潜在的原料。”

利用高精度数值模拟，该研究团队发现在一个纯盘星系形成的棒旋星系中，大量气体（约一亿太阳质量）在很短的时间（约1亿年）内通过星系棒的作用流入了距离星系中心约几十秒差距（1秒差距指3.26光年）的范围内，形成了一个高密度的气体聚集区。“这些低角动量的气体除了形成核星团外，还有部分气体可能会直接塌缩成约一百万太阳质量的超大质量黑洞，并继续吸积周围气体变得更重，成为一个类星体。”李智说。

然而并不是所有的棒旋星系都可以驱使气体内流至极其中心的地方。如果星系中有很多质量聚集在中心，气体就不会落入中心，而是在距离中心约几百个秒差距的地方形成一个环状结构，一般称之为核环。这样的核环结构在近邻棒旋星系中非常普遍，例如NGC1300，NGC1097等。

“但是我们发现，核环不会在最早期的棒旋星系中形成，必须要等有足够多的气体堆积在星系中心时才会满足动力学共振条件而形成这种核环结构，我们的研究显示需要的质量大约为1%星系盘的质量。”沈俊太说。“但是一旦这样的环状结构形成，就意味着流入星系中心的大部分气体只能堆积在核环上，而不能进入到黑洞附近，所以黑洞只能被迫’节食’，成为一个低光度的赛弗特活动星系，或者干脆停止活动进入休眠期。一个形象的类比是，我们的形成机制可以使黑洞快速进食形成一个百万太阳质量的小胖子，但是此后食物很难进入他口中，他只能被迫节食。”

“总的来说，我们的超大质量黑洞形成新机制有两个特点：一个是黑洞可以在几亿年内迅速形成，另一个是在星系棒的动力学约束下这种黑洞的质量增长是自我限制的。这也使得我们的理论和现有的黑洞并合模型互补，提供了另一个形成超大质量黑洞的可能起源。”沈俊太总结道。

图1.气体在星系棒的驱动下快速流入并堆积在星系中心

图2.如果星系中心存在足够多的质量，则气体不会直接流入中心，而是形成一个围绕中心的核环

图3.在考虑气体自引力的影响后，在星系中心流入足够多气体后，后续流入的气体会自发形成核环结构，阻碍超大质量黑洞继续大量吞噬更多气体

图4.模拟形成的核环结构与观测到的NGC 4314的星系核环非常类似

来源：中国科学院上海天文台