IT之家 8 月 15 日消息，南京大学官方公众号今天（8 月 15 日）今天发布博文， 宣布其团队最新研究首次从观测上提供了星系中心黑洞影响冷气体含量的直接证据。
半个世纪的谜题
星系是构成宇宙的基本单位。以我们的银河系为例，星系是一个包含有数千亿颗恒星、气体和尘埃等星际介质及中心超大质量黑洞的自引力束缚系统。
图源：南京大学
星系的内部组成成分及其周围的星系周介质之间在多个空间和时间尺度上进行着复杂的相互作用，共同影响着星系的形成和演化。
天文学家一般把星系分为两类：一类是较年轻的星系，仍在活跃地产生新的恒星，称为恒星形成星系；而另一类是较年老的星系，则几乎没有新的恒星形成，称为被动演化星系。
经过近半个世纪的发展，当前中心黑洞对宿主星系具有重要的反馈作用已成为主流星系形成演化理论模型的共同结论。然而，观测上黑洞是否影响以及如何影响星系的形成演化一直缺乏明确的证据。
科研团队介绍
南京大学王涛教授为论文的第一作者和通讯作者，南京大学两位研究生许可和吴雨瑄同学为论文作出重要贡献，南京大学的施勇教授、顾秋生教授、张智昱教授、王倚君副研究员，及法国原子能研究所、北京大学、上海师范大学、天津师范大学、复旦大学相关科研人员参与了本工作。
本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、载人航天项目等的支持。
科研成果
2009 年，王涛到美国哈佛-史密松森天体物理中心深造。从那时起，他就致力于研究星系如何“从生到死”的问题。
王涛教授与合作者创新性地从探索近邻星系的黑洞质量与星系中原子氢气体的含量之间的关系入手，首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其原子氢气体含量越低。
原子氢气体是星系冷气体的主要组成部分，而冷气体又是星系中恒星形成的原料，因此这一发现对星系中心黑洞是否影响和如何影响星系中的冷气体含量及恒星形成提供了重要的观测证据。
王涛解释说：
该工作也同时揭示了不同类型的星系遵循同样的冷气体含量-黑洞质量关系（图 1），这意味着冷气体含量-黑洞质量关系为研究星系形成演化，尤其是研究星系在不同类型间的转化机制，提供了全新的、可能更为基础的框架。
星系中冷气体含量与中心黑洞质量的关系示意图。中心黑洞质量越大的星系其冷气体含量越低、成为被动演化星系的可能性也越高。意义
该结果对中心黑洞对宿主星系具体的反馈机制也作出了重要限制。因为原子氢气体是星系周气体冷却形成的初级产物，该发现意味着通过中心黑洞在其成长过程中释放的能量来调节星系周气体的冷却效率很可能是中心黑洞影响宿主星系形成演化的主要方式。
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天文学家公布银河系中心超大质量黑洞的首张照片，人类为何要探索银河系？
人类之所以要探索银河系，是因为我们可以知道地球的历史以及它的未来，从而对人类后续的发展提前进行部署。 多数的人对于人类探索银河系十分困惑，很多的人觉得我们生活在地球上衣食无忧，为何还要花如此多的钱在外星球的探索上面呢？实际上，这一类人并没有看到探索银河系的必要性。
之所以说探索银河系是必要的，就是因为在银河系之中地球只是其中的一个星球，我们需要去对银河系进行探索，看一看在银河系之中其他星球上面的生存环境，了解其他星球的更迭，这样的话才能够对我们所生活的这个地球有着更加充分的了解。 人类对于银河系的探索，说白了是对与自身命运的探索。
当我们生活在一颗自己不了解的星球上时内心是十分的恐慌的，这也是多数的科学家比较具有前瞻性的地方。 大家会发现对于银河系的探索是现在各个经济发展的国家都在做的一件事情，为什么大家要在这件事情之上花费人力物力呢？就是因为只有更好的去探索银河系，了解地球的生存环境，才能够对自身的发展提前进行部署。
对于人类起源的探索，各国的科学家都从未停止，我们一方面想要知道地球历史的演变，另一方面想要了解人类的发展史，将二者进行充分的了解之后，我们才能够从中推演出一些规律由此了解到在未来的几十年甚至几百年之后，地球将会是怎样的模样，我们人类在这座地球上生存又需要具备哪些技能？正是因为这些探索才能够让我们获得更加深刻的认识，让我们在这个地球之上的生存变得更加的有底气，所以说对于银河系的探索是十分的必要的。
黑洞：科学家们获得了一个位于M87星系中心的黑洞的图像
第一张……国家天文台苟利军研究员@Flyingspace ：这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。 在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。 爱因斯坦 另外一个重要意义在于，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。 这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。 在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。 受限于观测分辨率和灵敏度等因素，目前的黑洞细节分析还不完善。 未来随着更多望远镜加入，我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节，从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制，完善我们对于星系演化的认知与理解左文文（上海天文台）：如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片，那么非下面这张照片莫属。 这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片，也是人类拍摄的首张黑洞照片。 它是黑洞存在的直接“视觉”证据，从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。 图1：M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像，上图为2017年4月11日的图像，图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”，周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束（beaming）效应所造成的。 由于黑洞的旋转效应，图片上显示了上（北）下（南）的不对称性。 这张照片于2017年4月拍摄，2年后才“冲洗”出来。 2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜（Event Horizon Telescope， EHT）合作组织协调召开全球六地联合发布。 给黑洞拍照，有三个科学意义：1. 对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。 黑洞是具有强引力的，给黑洞拍照最主要的目的就是在强引力场下验证广义相对论，看看观测结果是否与理论预言一致。 2. 有助于理解黑洞是如何“吃”东西的。 黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域，这里的信息尤为关键，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，就能更好地重构这个物理过程。 3. 有助于理解黑洞喷流的产生和方向。 某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。 以前收集的信息多是更大尺度上的，科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。 如果现在对黑洞暗影的拍摄，就能助天文学家一臂之力。 图2：哈勃空间望远镜拍摄的M87，图片版权：NASA 黑洞照片应该是这样：圆形阴影+光环一百年前，爱因斯坦广义相对论提出后不久，便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。 上世纪70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。 上世纪90年代，Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序，模拟出银河系中心黑洞Sgr A*的样子，引入了黑洞“阴影”的概念。 理论预言，受黑洞强引力场的影响，黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞弯曲，使得天空平面（与视线方向垂直的面）被黑洞“视边界”（apparent boundary）的圆环一分为二：在视边界圆环以内的光子，只要在视界面以外，就能逃离黑洞，但受到很强的引力红移效应，亮度低；而视边界圆环以外的光子，能绕着黑洞绕转多圈，积累的亮度足够高。 图3：广义相对论预言，将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。 由于旋转效应，黑洞左侧更亮。 图片版权：D. Psaltis and A. Broderick 从视觉上看，视边界内侧的亮度明显更弱，看起来就像一个圆形的阴影，外面包围着一个明亮的光环。 故此也得名黑洞 “阴影”（black hole shadow）。 这个阴影有多大呢？史瓦西黑洞的阴影直径是视界直径的5.2倍；如果黑洞转得快，阴影直径也有约4.6倍视界半径。 如此看来，黑洞视边界的尺寸主要与黑洞质量有关系，而与黑洞的自转关系不大。 后来，更多科学家针对黑洞成像开展了大量的研究，均预言黑洞阴影的存在。 因此，对黑洞阴影的成像能够提供黑洞存在的直接“视觉”证据。 今天只是起点，未来将看到更多精彩其实，人类关于黑洞的理论预言出现的时间不短，VLBI技术也并不是近十年才成熟。 为什么现在才“拍”到第一张黑洞照片呢？一个重要的原因是，想要利用VLBI技术构成一个等效口径足够大、灵敏度足够高的望远镜，需要在全球各地广泛地分布着足够多的这类望远镜。 过去十年中，技术的突破、新射电望远镜的不断建成并加入EHT项目、算法的创新等，终于让天文学家们打开了一扇关于黑洞和黑洞视界研究的全新窗口。 参与此次EHT观测的上海天文台专家一致表示，对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点站。 一方面，对于M87*的观测结果分析还能更加深入，从而获得黑洞周围的磁场性质，对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。 另一方面，大家翘首以待的银河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出炉了。 EHT项目本身还将继续“升级”，还会有更多的观测台站加入EHT，灵敏度和数据质量都将提升，让我们一起期待，未来看到M87*和Sgr A*的更高清照片，发现照片背后的黑洞奥秘。 总之，人类既然已经拍到第一张黑洞照片，那黑洞成像的春天还会远吗？
星际气体和恒星，会导致宇宙中形成超大质量的黑洞吗？
众所周知，整个宇宙范围内密度最大的物体就是黑洞，只要是移动到其事件视界范围之内的物质，都会在它强大的引力作用下最终被吞噬。 但是，黑洞也有不同的类型，比如，由我国天文学家发现的已知最大恒星质量黑洞LB-1，便是一种不同于中等质量恒星黑洞和超大质量黑洞的恒星质量黑洞。
而在所有大型星系中心，都普遍存在的超大质量黑洞，其平均密度则要比其他类型黑洞低得多，甚至可以低于我们地球上的空气密度。 原因并不复杂，一个黑洞的施瓦西半径值和自身的质量成正比，但它的密度却跟自身的体积成反比关系。 也就是说，黑洞的半径越大，意味着自身的密度越小，就连视界附近的潮汐力作用都会减弱。
一直以来，尽管科学家们已经对恒星质量黑洞的形成过程有所了解，但依然很疑惑为什么宇宙中会有这么多的超大质量黑洞。因为，即便大型恒星坍塌之后能够形成质量也相对更大的黑洞，但为什么每个星系中心的都有，怎么可能有这么多刚刚好的巧合呢？所以，科学家们疑惑这些宇宙中超大质量黑洞的形成，是否还与周围的星际气体和恒星有关？
超大质量黑洞的起源-原始气体云坍塌，为什么不足以解释所有现状？
超大质量黑洞的起源之谜黑洞跟宇宙中的其他事物一样，除了有质量、密度和引力这些与施瓦西半径值有关的属性之外，同时也因为形成时间不同而有了年龄一说：
比如，诞生于宇宙大爆炸后大约6.9亿年的ULAS J1342 + 0928，它的质量相当于10亿个太阳加起来的总和。 如此短的时间就形成质量这么庞大的黑洞，的确很难通过现有的黑洞形成理论来合理解释。
根据目前的研究，尽管所有已知大型星系中心都有一个、甚至更多数量的超大质量黑洞存在，但是，这些超大质量黑洞之间也存在明显的质量差异：
比如，早在多年之前，科学家们就在NGC 3842和NGC 4889星系中发现了两个更特殊的超大质量黑洞，因为，它们的质量相当于太阳的97亿倍以上。
而我国科学家发现的一个大约120亿倍太阳质量的超大质量黑洞，由于它的形成时间大约在早期宇宙，就更难通过现有的黑洞形成理论来进行解释了。
为什么超大质量黑洞不都形成于原始气体云坍塌初期？很多人都知道，恒星最初的质量会直接决定它的生命周期和演化阶段。 在宇宙空间中，有很多巨型云层中都饱含星际气体，而超大质量黑洞的诞生，很可能就始于这些云层坍塌之后形成的恒星。 然而，之前有研究表明，这种巨大云层直接坍塌形成恒星的情况，应该只可能发生在金属含量不高的云层。
也就是说，在这些坍塌后形成超大恒星的云层中，不能含有比氦和氢更重的一切元素，因为，此类重元素会导致云层的动力学发生改变。 而就这个过程的本质而言，其实就是气体云会因为金属而变得冷却。 所以，当此类云层因为自重而坍塌的时候所形成小恒星，完全不足以形成最终能够演化为超大质量黑洞的恒星类型，这便是为什么科学家们认为，宇宙各大星系中的超大质量黑洞，一定不都始于原始气体云坍塌的初期。
超大质量黑洞的前身-当巨型云层中存在重元素，超大质量恒星如何形成？
日本国家天文台表示：即便巨型云层中的确有部分重元素存在，但也可以通过之后的气体积聚和恒星合并事件，逐渐形成能够演化为超大质量黑洞的超大质量恒星。 这项研究结果，主要是通过“ ATERUI II”这台超级计算机模拟完成，3D高分辨率模拟，完美的呈现了恒星在形成之后的生长过程。
巨大云层破碎对超大质量恒星的形成有多大影响？下图中呈现的是：巨大云层在坍塌之后的300年到600年时间中，那些可能演化为超大质量的恒星在质量上发生了怎样的变化。 每一行的金属浓度都有所不同，而第一行则是不含重元素的云层，而黑点所代表的恒星质量，会比可能被吞噬的白点所代表的恒星质量更大。
重元素的金属性不仅导致了巨大云层的冷却和破碎，同时还产生了能够让小质量恒星和中心大质量恒星合并的强大气流。 所以，那些能够形成超大黑洞的超大质量恒星，它们的诞生其实跟原始云层的金属性没有太大关联。 这便是为什么它能够解释宇宙的各大巨型星系中，真实存在着数量庞大的超大质量星系，弥补了之前形成理论难以解释的部分。
模拟结果证明了因为重元素而破碎的气体云，在形成大量小质量恒星之后，并没有导致超大质量恒星在诞生数量上明显减少。 简单来说，虽然重元素的金属性能够冷却云层致其破碎，但并不足以导致那些能够形成超大质量黑洞的大量恒星真的无法形成。 为了更便于大家理解，下面这张图片展示的就是超级计算机ATERUI II呈现出的模拟黑洞图像：
位于图片中心附近区域的黑点，示意了真实宇宙环境中存在的大量恒星，而黑洞就是这些恒星在经历一段时间演化之后形成的产物。 而其中白色小点代表着大约10个太阳质量那么大的恒星类型，它们的诞生都始于气体云坍塌之后形成的碎片。 正是那些质量比较小的恒星，与位于中心位置的更大质量恒星之间的合并过程，才进一步促使了大质量恒星拥有了更快的生长速度。
恒星质量的增长在气体聚集和小质量恒星合并上是否对等？虽然，超大质量黑洞只是黑洞类型中的一种，但科学家们探测到的每一个大型星系，其中心都至少存在一个超大质量黑洞。 要知道，黑洞越大，它对周围事物的影响也就越大，因为它的生长就是通过吞噬周围的物质来实现。 而形成超大质量黑洞的超大质量恒星，它们在演化过程中质量的变化也是相同的道理，并非所有恒星的质量在诞生的时候就决定了，而且，就连它们质量的增长方式也并不单一。
事实上，在云层坍塌形成大量碎片的同时，其中心同时还存在着强大的气流，而那些质量相对更小的恒星，则会被这股超强气流引向中心位置，然后被等待着的超大质量恒星直接吞没。
为了更直观的呈现出那些最终能够形成超大质量黑洞的恒星是如何得到自己的质量，在整个研究过程中，科学家记录下了气体聚集，以及小质量恒星合并对超大质量恒星的形成贡献分别有多大：
在上面这张图中，红色的部分代表着恒星质量通过气体聚集得到的增长情况，而绿色部分和蓝色部分则示意的是恒星质量通过合并事件得到的质量增长，这两个的区别只在于：两者合并的恒星质量，分别为大于100个太阳质量和小于100个太阳质量。
总而言之，虽然重元素的金属性导致了巨型云层难以直接形成质量足够大的恒星，但却依然可以通过大质量恒星蚕食小质量恒星的这个过程，让原本质量不足以演化为超大质量黑洞的恒星生长的越来越大。
超大质量黑洞的起源-跟我们自身是否有关，能解开宇宙中的哪些疑团？就在我们的银河系中心，同样也存在一个全名为Sagittarius A*的超大质量黑洞，我们通常将其叫做人马座A*。 从距离上来说，可能不少人会觉得这个离我们更近的黑洞，应该更有利于科学家们去观察它的动态。
但事实并非如此，由于我们的地球所在的太阳系，与人马座A*所在的银河系都在同一个星系，反而给实际观测带来了诸多不便。
所以，科学家们通过事件视界望远镜拍摄到的第一张黑洞照片，也并不是距离我们最近的人马座A*，而是与地球像个5500万光年遥远的M87*黑洞，它的质量大概是太阳的65亿倍左右。 大家可以看出，只有距离足合适且质量够大的超大质量黑洞，才有可能被分布在全世界的八个毫米/亚毫米波射电望远镜抓取到它的关键信息。
了解各种类型黑洞的形成过程，不仅是认知黑洞这种宇宙物体本身的特性，同时也关乎到其他与黑洞同处一个星系中的其他星体。 从恒星的形成，到整个星系的演化，其实都与星系中心的超大质量黑洞密切相关，而位于银河系中、我们人类赖以生存的地球也同样不会例外。
地球上的生命还能够繁衍生息多久，除了会受到生活在地球上的生物影响之外，还跟地球之外的宇宙物体有关。 比如，母恒星太阳自身演化阶段的更迭，以及银河系中超大质量黑洞的活动情况等。 虽然，人类目前尚未实现对黑洞进行直接观测，但通过科学家们的努力和科学技术的进步，黑洞这个宇宙中最神秘的物体之一，它和我们之间的距离已经越来越近。
