英天文学家发现超大黑洞，质量是太阳的 300 亿倍，这一 ...

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英国天文学家使用新技术发现了一个超大质量黑洞，是迄今为止被发现的最大黑洞之一。

皇家天文学会发表的研究结果表明，这个黑洞的质量是太阳质量的300多亿倍。研究人员将其描述为一个“令人极度兴奋”的发现，为探测更多黑洞开辟了“诱人”的可能性。

英国杜伦大学团队使用了一种被称为引力透镜的新技术，这使科学家能够仔细研究距离地球数亿光年的遥远星系中的黑洞如何使光线弯曲。该团队在超级计算机模拟光线和NASA哈勃太空望远镜拍摄的图像的帮助下，确认了黑洞的大小。

皇家天文学会称，这是历史上第一个使用引力透镜被发现的黑洞。

研究的主要作者、杜伦大学物理系的观测宇宙学家詹姆斯南丁格尔表示，“我们所知道的大多数最大的黑洞都处于活跃状态，靠近黑洞的物质会升温并以光、X射线和其他辐射的形式释放能量。然而引力透镜使得研究不活跃的黑洞成为可能，这在以前是不可能的。这种方法可以让我们探测到更多超出我们邻近星系范围的黑洞，并揭示这些奇异物体是如何在更远古的宇宙时代进化成型的。”
超大质量黑洞是宇宙中质量最大的天体，它们的起源尚不清楚，有一派观点认为它们是数十亿年前星系合并形成的。每当一个星系与另一个星系合并时，恒星就会消失，黑洞的质量就会增加，这也许是一些黑洞质量惊人的原因。

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据个人所知，这并不是历史上第一个使用引力透镜被发现的黑洞。
在2022年7月，Sahu et al. 已经通过微引力透镜方法发现了一个恒星质量黑洞。
因此，本次发现或许可以称为通过强引力透镜方法发现的首个超大质量黑洞？



Sahu et al. 2022利用引力透镜发现黑洞的论文

当然就该问题而言，个人认为有两点值得关注：其一是超大质量黑洞本身；其二是探测黑洞的方式。
超大质量黑洞的起源

目前发现了两种黑洞：恒星质量黑洞和超大质量黑洞。
恒星质量黑洞一般指的是质量为数个~数十个太阳质量之间的黑洞。它们一般通过超新星爆发、恒星坍缩或者并合形成。
超大质量黑洞一般指的是质量超过百万个太阳质量的黑洞。目前认为大质量星系的中心都寄居着一个超大质量黑洞，例如银河系中心存在一个质量为426万太阳质量的黑洞。



事件视界望远镜合作组织拍摄的银河系中心黑洞图像。版权：EHT

高赞回答也提到本次发现的黑洞并非是质量最大的黑洞。但其实，相较于质量上限，超大质量黑洞的起源更值得注意。
一来，理论上黑洞并没有质量上限；二来，对于遥远的星系，目前的估计都比较粗略。例如，之前推测距离地球5000万光年外的室女座星系（M87）中心的超大质量黑洞质量约为65亿个太阳质量。但是最近的研究认为其质量只有54亿个太阳质量。
但是，如本次发现一样，目前发现了不少在宇宙早期就已经存在的超大质量黑洞。这些黑洞从何而来？
如果超大质量黑洞是恒星质量黑洞通过吸积物质不断成长形成的话，那么即便按照理论允许的最大速率，黑洞也不会在宇宙诞生后的数亿年内，就成长的如此庞大。
因此，这些超大质量黑洞的起源便是一个未解之谜。这是天文学家目前面临的难题之一。针对该问题，目前提出了两种解决途径：

• 黑洞吸积的速率比理论的上限还要快，即超爱丁顿吸积，但是这种吸积的机制目前还不清楚；
  
• 在恒星质量黑洞和超大质量黑洞之间还存在一种中等质量黑洞，其质量在数百~数十万个太阳质量之间。恒星质量黑洞通过吸积形成中等质量黑洞，然后数十个中等质量黑洞通过并合形成超大质量黑洞。
  

黑洞的探测方式

众所周知，黑洞不发光，很难直接探测到。因此，目前主要通过研究黑洞与周围的天体或物质的相互作用来间接证认黑洞的存在。
例如，人类发现的首颗黑洞——天鹅X-1，就是通过黑洞吸积伴星物质时产生的X射线来证认的。再比如，2019年中国国家天文台刘继峰研究员团队通过围绕黑洞运动的恒星的视向速度变化，发现了一颗恒星质量黑洞。



黑洞吸积物质时，物质摩擦发出剧烈的高能辐射。（图片来自网络，侵删）

然而，以上方法都需要黑洞附近存在物质或天体。对于一颗孤立的黑洞，这些方法都束手无策。这时，就需要借助引力透镜方法了。
引力透镜

引力透镜指的是光子经过大质量天体时发生偏折的现象。其偏折角的大小，与天体的质量、形状等性质有关。因此，可以反过来通过引力透镜确定天体的质量等性质。



星系产生的引力透镜示意图。（图片来自网络，侵删）

目前，在天文学中引力透镜已经是一个比较成熟的方法，被广泛应用于天文学的各个领域。例如，在2017年，Sahu et al. 通过微引力透镜方法独立测量了一个孤立白矮星的质量，为传统质量估计方法提供了一个独立的检验。该项工作发表于《Science》上。除此之外，引力透镜还被广泛应用于星系巡天、搜寻暗物质、寻找系外行星等领域。
根据偏折角的大小，引力透镜可分为弱偏折引力透镜和强偏折引力透镜。
弱偏折引力透镜可分为3类：强引力透镜、弱引力透镜和微引力透镜。它们的区别如下：

• 强引力透镜：像发生明显弯曲（大家平时看到的多属此类）；
  

强引力透镜（图片来自网络，侵删）

• 弱引力透镜：单个像没有明显弯曲，但是综合数个像来看，可以从统计上发现偏差；
  

弱偏折引力透镜（图片来自网络，侵删）

• 微引力透镜：像的偏差极小，只能从光度上发现变化。
  

微引力透镜（图片来自网络，侵删）

强偏折引力透镜指的是光子偏折程度极大，甚至围绕黑洞转圈后才抵达观测者的现象。虽然目前并未探测到，但是事件视界望远镜（EHT）对M87*和人马 A*的成像，与对该现象的预言一致。



事件视界望远镜合作组织拍摄的室女座中心黑洞图像。版权：EHT

因此，本次发现属于弱偏折引力透镜中的强引力透镜。
如本文开头所言，本次发现并非是历史上第一个使用引力透镜发现的黑洞。因为在2022年7月，Sahu et al. 已经通过天体测量微引力透镜方法发现了一个恒星质量黑洞。
本次工作

本次工作主要是通过强引力透镜来探测超大质量黑洞。
由于强引力透镜涉及到像的弯曲，加之涉及参数众多，难以得到分析解。故本次工作先建立一个透镜模型，然后通过超级计算机遍历各个参数，得到理论预言的图像。再将该图像与实际观测比较，找到与实际观测最相似的情况，将该情况对应的参数视为最佳的结果。



左边为观测到的图像，右边为模型的预言。版权：Nightingale2023MNRAS521.3298

参考：

• Nightingale2023MNRAS521.3298；
  
• Sahu2022ApJ933.83；
  
• EHT2019ApJL.875.L1；
  
• Liepold2023ApJ945.L35；
  
• Greene2020ARAA58.257；
  
• Liu2019Nature575.618；
  
• Sahu2017Science356.1046；
  

静静的等258

对于恒星级黑洞的存在与质量的探索，我国也在积极推进中。
近日，由中核集团中国原子能科学研究院联合深圳大学、美国圣母大学、中科院近物所、北京航空航天大学、印度技术大学、萨哈核物理研究所、北京师范大学开展的“12C(α,γ)16O天体反应率实验测量及其对黑洞质量间隙的影响”研究，为预言恒星级黑洞质量提供了最高精度数据。该研究成果在国际天体物理领域权威期刊The Astrophysical Journal（《天体物理期刊》）发表，第一作者和通讯作者为中核集团原子能院副研究员谌阳平，原子能院研究员郭冰、圣母大学教授R. J. deBoer和深圳大学副教授李二涛为共同通讯作者。
黑洞质量为何会有“禁区”呢？这得从恒星结构及演化理论说起。大质量恒星一般指比太阳质量大8倍以上的恒星。和所有恒星一样，大质量恒星从诞生后，就开始燃烧其核心区的轻元素，这是恒星一生中最为漫长的阶段。当耗尽“核燃料”之后，恒星进入生命末期，由于没有能量抵抗自身引力，恒星会快速坍缩为黑洞。但科学家通过细致的研究发现，事情并不那么简单。恒星级黑洞存在一个质量“禁区”，质量处于“禁区”范围内的恒星其核心的高能伽马射线会有效转换为正负电子对，而伽马射线的减少会导致核心内部产生的热压力突然降低，使恒星无法抵抗自身引力而迅速塌缩，进而产生超新星爆发并将恒星完全吹散，不会产生黑洞。这个黑洞质量“禁区”被称为“对不稳定性质量间隙”（pair instability mass gap）。



LIGO-Virgo测量到的双星并合引力波事件

黑洞无法直接观测，可以通过间接方式得知其存在与质量。研究表明，黑洞质量“禁区”的位置和宽度与被称为核天体物理“圣杯”反应的12C(α,γ)16O的反应率有很强的依赖关系。较大的“圣杯”反应的天体物理反应率可以提高大质量恒星在核心氦燃烧结束之后16O的丰度，从而导致随后的恒星燃烧过程有利于产生更多的正负电子对，使得黑洞质量“禁区”的上下限降低。近年来激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）的引力波探测提供了大量的恒星级黑洞质量数据（见上图），使基于恒星演化模型对黑洞质量“禁区”进行计算和验证成为可能。然而，“圣杯”反应的反应率误差，目前还达不到恒星演化模型要求的10%的精度，且部分关键反应参数还存在较大分歧。



左图为黑洞质量与形成黑洞前的恒星氦核心初始质量间的关系，右图为LIGO-Virgo黑洞质量的数据

在本项研究中，项目团队利用原子能院的北京HI-13串列加速器，对“圣杯”反应中的关键参数16O基态渐进归一化系数（ANC）进行了测量，通过高精度角分布数据和物质半径约束克服了16O束缚态势的巨大不确定性，给出了高精度的“圣杯”反应截面及反应率。经计算，“圣杯”反应的天体物理反应率比当前最新编评值提高了21%，这一结果使黑洞质量“禁区”上限由原来的139倍太阳质量下降到132倍太阳质量，下限由59倍太阳质量下降到52倍太阳质量（见上图）。该结果为激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台发现的大量恒星级黑洞质量分布提供了可靠的理论解释。

善平

需要注意的其中一点是，这是第一个利用“引力透镜”现象观测到的黑洞，而这也意味着未来几年人们可能会利用这一现象发现数千个黑洞。
在“引力透镜”中，从遥远的星系向地球发射的光被放大并向内弯曲，从而揭示出“黑暗巨人”的存在。研究人员还利用计算机模拟和哈勃太空望远镜的图像来确认这一发现，排除了其他可能性。
该研究的主要作者、英国杜伦大学天文学家詹姆斯·南丁格尔（James Nightingale）评论：
「这种现象类似于通过酒杯底部照射光线，这次发现也是非常偶然的情况，在宇宙深处恰巧有一个星系的光非常接近这个黑洞。」


引力透镜是指天体的引力场对光线产生的透镜效应，这种效应可以被用来探测和研究黑洞。引力透镜可以将远处的背景光源像放大和变形，从而帮助天文学家探测黑洞的存在。具体来说，引力透镜可以产生以下影响：

• 偏转光线：当光线穿过黑洞周围的引力场时，会受到黑洞的引力影响而偏转，使得光线的路径发生弯曲。
  
• 放大光源：黑洞的引力场还可以将光源放大。这种放大效应被称为强引力透镜。
  
• 产生多重图像：由于光线在黑洞周围被偏转，因此一个远处的光源可能会在黑洞周围产生多个图像，这些图像可能被分别观测到。
  

通过观测和分析这些效应，天文学家可以推断出黑洞的质量、位置和形态等信息。因此，引力透镜技术为探测黑洞提供了一种有效的手段。此外，引力透镜技术也可以用来研究星系的结构和宇宙的演化历史，因为星系和宇宙中的引力透镜现象也可以被观测到和分析。



这张由欧空局哈勃望远镜于2022年6月10日发布的图片，展示了科学家对银河系中超大质量黑洞的想象。

总之，这次的发现意义还是蛮大的，总结起来有以下几点：

• 增加对宇宙演化的了解：发现超大黑洞有助于了解宇宙的演化历程，因为它们是宇宙早期形成的一部分。超大黑洞的质量如此之大，因此它们的形成和演化对宇宙的形态和结构产生了重要影响。
  
• 提供了对相对论物理学的测试：超大黑洞是对爱因斯坦广义相对论的极限测试。研究超大黑洞如何扭曲周围的时空结构可以帮助我们更好地理解这个理论。
  
• 了解星系演化：超大黑洞与星系演化密切相关。黑洞的引力可以影响周围恒星和气体的运动，这可能导致星系的形态和结构的演化。因此，对超大黑洞的研究可以增加我们对星系演化的了解。
  
• 研究黑洞的物理性质：超大黑洞是研究黑洞物理性质的理想天然实验室。通过研究这些黑洞的形成和演化，我们可以更好地理解它们的性质、如何形成以及它们如何与周围环境相互作用。
  
• 探索未来的科学前沿：这一发现展示了科学探索的潜力和未来的科学前沿。对超大黑洞的研究需要使用先进的观测和分析技术，这将推动科学家开发新的技术和方法，以便更好地了解宇宙和黑洞的演化。
  
• 对于宇宙的结构和形成提供重要线索：超大黑洞的形成与宇宙早期的暴涨有关，这也与宇宙的结构和形成有关。因此，对超大黑洞的研究可以为我们提供重要线索，帮助我们了解宇宙的演化历史。
  
• 促进天体物理学领域的发展：研究超大黑洞需要天文学家在天文观测、数值模拟、理论物理等方面深入探索。这将推动天体物理学领域的发展，帮助科学家们更好地理解天体物理现象，解决科学难题。
  
• 增加对地球宇宙的认知：对超大黑洞的研究也将帮助人类更好地认知自己所在的地球宇宙。了解宇宙的演化历史、黑洞的物理性质等，有助于我们更好地认知自己所在的宇宙中的位置和意义，促进人类对宇宙和自然的理解和尊重。
  

不过，最重大的意义还是有了可以发现更多黑洞的方法，因为正如南丁格尔所说：「引力透镜’使研究不活跃的黑洞成为可能」。

目前已知的引力透镜有大约500个，其中至少有一个已经被确认为超大质量黑洞。
此外，在今年7月，欧洲将发射“欧几里得”（Euclid）望远镜，开启黑洞发现的“大数据时代”。在接下来的几年中，“欧几里得”望远镜预计发现超过十万个新的“引力透镜”，其中可能隐藏着数千个黑洞。

落叶的时节

先说结论：不是最大的黑洞，而是目前已发现最大的黑洞之一。根据维基百科的排名[1]，这个黑洞应该是第八大。
第一大的黑洞Phoenix A，质量是太阳的1000亿倍。下面标红色箭头的才是这次发现的黑洞Abell 1201 BCG


这项研究的关键点不是在于黑洞大，而是在于是利用超级计算机结合引力透镜效应发现的，而且这是第一次使用这样的新技术发现黑洞。结果偏偏这最重要的部分还不在标题里面……
看看人家外网的报道，标题都提及了引力透镜或者超级计算机（虽然也有犯错说是最大的）




那么究竟什么是引力透镜效应呢？
根据爱因斯坦的广义相对论，引力透镜效应是指当背景光源发出的光在引力场（比如 星系、星系团及黑洞）附近经过时，光线会像通过透镜一样发生弯曲。也就是当光经过质量很大的物质时，其像会被扭曲。
下面是维基百科上的gif来描述引力透镜效应。



此外还有由于引力透镜效应所形成的十字形的像。在爱因斯坦十字中，背景光源是距离地球80亿光年的类星体QSO 2237+0305，而产生引力场的是其正前方距离地球约4亿光年的前景星系ZW 2237+030。类星体的光线因引力透镜效应形成四重影像，对称分布于前景星系的核心四周，与其组成一个近似的十字形，故此得名。[2]


那么这次是如何利用引力透镜效应发现这个大黑洞的呢？哈勃望远镜拍摄到了被引力透镜弯曲的图像（下图中的Observed data）。来自英国Durham University的研究团队结合广义相对论，利用超级计算机模拟如何才能得到这样的图像。他们发现当黑洞的质量为300亿太阳质量时，模拟图像（Simulated image）就与实际观测结果非常match.


利用引力透镜观察黑洞的优势：
之前观测黑洞还是利用黑洞的辐射，比如2019年发布的M87星系黑洞照片。虽然黑洞叫做黑洞，但是其实并不完全黑。
但是如果一个黑洞并不活跃而不怎么发出辐射的话，利用引力透镜效应将会是一个很好的方式，毕竟质量一直都会在那里。