星系中心的大黑洞和星系哪个先形成的?

  • 日期:10-13
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我们都知道,在一个大型星系的中心,有一个超大质量的黑洞。问题在于,当形成宇宙的物质结构时,黑洞首先出现,然后大量的物质被吸引而形成星系。还是银河系先形成然后演化成超大质量的黑洞?换句话说,首先形成哪个黑洞和星系?

关于黑洞我们最近问了三个问题:计算宇宙中最大和最小的黑洞,以及银河系中心的超大质量黑洞即将到来吗?今天,我们谈论的是宇宙中不同结构形成的顺序。基本上感觉还不错!

首先让我们看一下宇宙的大型结构。

我们可观测的宇宙由数千亿至数万亿个星系组成,星系的质量范围是银河系质量的数千倍至数千倍。在宇宙巨大的丝状结构中,超团位于丝状的相交处,丝状结构中的巨大间隙跨越了数千万光年。可以看出,宇宙从我们的位置扩展到各个方向的约460亿。光年。现在我有了我心中宇宙物质分布的照片。

但是以前的宇宙不是这样,它与当前的样子相去甚远!在宇宙形成之初,物质的分布是相对均匀的。经过数十亿年的演变,它开始形成我们目前所看到的。下图完美地表示了我们当前宇宙的物质分布。

您可能会认为今天谈论的是与宇宙的大规模结构有关的黑洞和星系?尽管这两个主题似乎无关,但要解决当今的黑洞问题,我们必须从大范围入手。为什么呢?

因为,如果我们要问这个问题:星系中心的大黑洞是在星系本身之前形成的,还是星系先形成然后在其中心形成的?要用另一种方式来思考这个问题,我们实际上要问的问题是:宇宙首先是在最小的尺度上形成一个结构,还是在最大的尺度上形成一个结构?

小比例尺地层构造与大比例尺地层构造的区别

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宇宙从大结构到小结构或从小结构到大结构的区别在于(当中性原子第一次形成时,宇宙有38万年的历史)如上图所示。

从小到大:宇宙从小尺度而非大尺度的大幅度波动开始。密度过大的小区域会随着时间的推移而增长,产生小质量的团块,这些团块会生长、合并并聚集在一起,最终形成大的星系和星系团。在这种情况下,黑洞首先会和小的恒星团块一起形成,直到很晚的时候它们才会形成我们所认为的星系。从大到小:宇宙从大尺度而非小尺度的大幅度波动开始。密度过大的大区域,由于引力作用,沿着不规则的形状,三轴椭球体最短的轴上坍塌下来,形成了像薄饼一样的超大结构(类似于行星盘),然后才分裂成星系。然后这些星系在各自的中心进化并形成黑洞;在这种情况下星系会先于黑洞形成。以上所说的小结构先形成还是大结构先形成,取决于物质分布是否均匀,很长一段时间以来,我们没有观测到直接的证据来判断哪一种过程是正确的。

对微波辐射的观测证实了一切重要的事情

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当我们发现并开始测量大爆炸遗留下的余辉时,我们也就慢慢掌握了关于宇宙早期的一些信息。上图中,从COBE卫星、WMAP卫星到普朗克卫星,我们获得了越来越详细和清晰的微波背景信息。

大爆炸给我们提供了很多关于早期宇宙和今天宇宙组成的线索。现在我们非常清楚,宇宙在能量方面,主要由暗能量和暗物质组成,只有少数的能量以正常物质的形式存在,只有0.01%的能量以辐射或光子的形式存在。

要知道宇宙过去和现在是由什么组成的,需要综合多种证据和信息,其中最显着的信息是来自宇宙微波背景,对大规模结构/星系星团数据的观测,以及远距离的宇宙测量,比如对Ia型超新星的测量。以上说的这些都是确认暗物质、暗能量的存在,以及各种能量形式存在比例的方法。

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如果我们想了解宇宙是如何进化的,我们就需要知道宇宙中不同的能量成分是什么?以及比例是多少?这些信息非常重要(上图)。

我们也可以从大尺度结构的BAO(重子声振荡)和宇宙微波背景中得到宇宙初始波动的大小和规模。

这些波动发生在大尺度上还是小尺度上,或两者兼有,波动的幅度有多大?我们看到的波动中有多少是由于自大爆炸以来发生的引力和电磁相互作用引起的,这些波动最初是如何分布的?我们从宇宙微波背景中得到了关于这些问题的大量信息!

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具体来说,我们在微波辐射中了解到的是波动的初始模式在尺度上是不变的,这意味着在所有尺度上,包括最大和最小的尺度上,波动的幅度大致相同。

(下图中我们在右边看到的振荡模式是由于宇宙结构开始形成的时候暗物质和正常物质在引力作用下与宇宙中的辐射相互作用引起的。宇宙前期的波动是均匀的。)

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通过左边和右边曲线的对比,我们就能知道宇宙诞生时在大小尺度上波动近似相等。这就是我们常说的微波辐射的平均温度在2.7K,起伏小于0.2-0.3%!20年前来自WMAP的数据以及普朗克(Planck)的数据,就证实了微波背景的各向同性。

我们现在证实了大小尺度波动幅度近似相等,这就是说明物质分布的相对很均匀,不存在小尺度或大尺度上物质分布的过于密集,所以宇宙结构的种子(发生引力坍缩的点)在所有的尺度上都存在,并且都对今天的小规模和大规模星团做出了贡献,但由于宇宙的引力速度是有限的,所以早期宇宙中像上文说的先形成更大的“大煎饼”结构并没有发挥主要的作用!原因很简单,就因为物质分布相对均匀,引力速度有限,所以不会形成太大的结构,宇宙结构的种子到处都是!

还不清楚的话不要紧,继续往下看!

宇宙的物质结构的形成方式

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当引力以光速传播时,在小尺度上的高密度区域可以立即吸引附近更多的物质,如果附近的物质吸收完了,想吸引更远的物质就需要更多的时间,因为跨越数千万或数亿光年的物质需要等待数千万或数亿年才能开始感受到引力!这时其他地方的结构也在形成,也在吸引自己周围的物质,所以大结构并不会很大,物质结构的种子在宇宙中遍地开花,唯一的区别就是有些花开的大一点,有些小一点!

换句话说,小结构和大结构都起了作用,宇宙中最早的恒星在大爆炸后不到1亿年就开始形成了。

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这些III族恒星是宇宙中最早由原始氢和氦形成的第一批恒星,其中许多质量最大的恒星将形成宇宙中的第一个黑洞。当宇宙形成一个巨大的新恒星群时,最大的恒星群中最亮、最蓝、最热的恒星将在超新星爆发中死亡,其核心将坍塌成黑洞。在最极端的情况下,有些恒星的质量可能是我们太阳质量的数百倍,从它们诞生之日起不到几百万年就会产生相当大的黑洞!

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这就是我们所得到的宇宙,早期恒星和黑洞形成的同时,周围年轻的小区域也会加入进来,一起合并成长,然后形成星系。随着时间的推移,黑洞互相融合、吸积物质成长为巨大的超大质量黑洞和我们今天看到的巨大星系。就像上文说的要重现我们目前在宇宙中所看到的景象,就需要宇宙初始的波动在小尺度和大尺度上相似。

总结:先有黑洞还是先有星系

正是对这一切的了解,告诉了我们宇宙中所有的结构是如何形成、进化并随着时间的推移而不断增长的。

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所以关于黑洞和星系谁先形成,我们最好的答案是:超大质量黑洞的种子和星系的种子是最先形成的,也是几乎同时形成的。但一开始形成的恒星到小一点的黑洞,在星系还没有完全成型的时候,也可以认识黑洞早于星系,但黑洞合并、成长的的区域会在很短的时间内形成大型、物质丰富的星系。

这就是黑洞和星系谁早谁晚的故事!

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