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本文为小红猪抢稿第80期译文

译者:玛雅蓝

校对:绵羊C

小红花等级:3.5朵

即使是在最原始的宇宙中,也有超大质量黑洞吞噬气体的身影。但现有的理论仍无法解释它们的存在。

它们是宇宙中的巨型黑点。那不是普通的黑洞,而是质量为太阳数十亿倍的巨型黑洞。它们无处不在,甚至在宇宙曙光期之前就已经隐约可见。

和那些装点了银河系的小个子亲戚一样,超大质量黑洞也会扭曲时空,也会毫不留情地吞噬一切物质,吞噬光线和求救的呼喊,但它们自有一种神秘之处。我们知道,质量数倍于太阳的小型黑洞诞生于大型恒星的核心坍缩成超新星的时刻,但没人能解释这些巨无霸是怎么来的。

我们曾经自以为找到了答案。过去,科学家认为超大质量黑洞是很小的种子缓慢膨胀而形成的(如下图)。但最近的观测显示,真相不止如此。我们需要新的理论来解释这些远古巨怪的形成。

不管是什么成就了超大质量黑洞,那必定是一个庞然大军。通过观测在巨大引力作用下旋转的恒星,科学家推测几乎每个大型星系的中心都有一个巨大的黑洞,包括我们的星系。银河系的质量是太阳的500万倍。在大约5千万光年之外,有一个达到60亿倍太阳质量的黑洞,它的事件视界(物体一旦越过即无法逃脱的边界)大小几乎是海王星轨道的五倍。

在更遥远的地方,超大质量黑洞存在的迹象更加让人惊叹。特别活跃的星系被称为类星体,它们的中心有一个明亮的光点,能掩盖附近数十亿恒星发出的光亮。许多类星体还会燃起X射线和伽马射线的烈焰,并以99%光速的速度喷射出物质流。这些迹象都表明,巨型黑洞正在那里胡吃海喝。气体被吸入黑洞时不断旋转,因摩擦而发热,发出白热的辉光,并产生了磁场。这磁场会使物质流向外高速喷出。

传统观念认为超大质量黑洞形成于大爆炸发生后数千万年,彼时第一代恒星正从密度最高的原始氢氦星云中产生。这些先锋者的质量大约是太阳的数百倍,随着时间推移,它们的核心很快坍塌,形成大约100倍太阳质量的黑洞。种子吞噬着气体,继续生长渐渐没入星系中心,最终成为类星体的强大内核。

然而在2000年,NASA(美国国家航空航天局)的钱德拉X射线望远镜发现了一个遥远而强大的类星体SDSS J1030+0524。我们看到的它正处于大爆炸之后仅9亿年,它释放的巨大能量只可能来自于一个质量超过太阳10亿倍的黑洞。

这头怪兽怎么能生长得如此迅速,如此巨大?黑洞吞噬的气体越多,它释放的光线和其他辐射也越强烈。最终,黑洞会在它喷射出的灿烂光华中耗尽能量:它释放的光线流如此汹涌,卷走了所有本该进入黑洞的气体,切断了黑洞的食物来源。通过研究邻近黑洞的行为,我们从理论上推断黑洞的体积最快每3000万年就能翻一倍。

理论推测,为了实现从100倍到10亿倍太阳质量的飞跃,也就是说要让质量翻上23番,SDSS J1030+0524中的黑洞的年龄大约在7亿年。但那需要一个完美的气体源,以满足黑洞扩张的需要。一个黑洞的周围环境通常一团混乱而且瞬息万变,因此达到这个扩张速度并不容易。纽约哥伦比亚大学的理论物理学家佐尔坦·海曼(Zoltan Haiman)表示:"很难想象,这个环境能源源不断地产生气体。"

无论如何,SDSS J1030+0524仍然是一个特例,很少有黑洞能够几乎不停地大吃大喝个十亿年。耶鲁大学的天文物理学家普利娅·纳塔拉让(Priya Natarajan)说:"一个特殊的天体你总是可以用特例来解释。可如果有一群这样的天体,就必然存在一种它们自发形成的方式。"

每一个新发现都在带来更多压力。去年,一个研究团队用英国位于夏威夷的红外望远镜观察了一个名为ULAS J1120+0641的类星体,观察下的它处于大爆炸后7.7亿年,质量大约是太阳的20亿倍。根据理论,从100倍太阳质量开始,它至少要生长大约7.5亿年才能达到这样的规模。

最近对首批恒星形成机制的研究进一步撼动了超巨质量黑洞从小长大的理论。不断收缩的气体云是超重黑洞诞生的摇篮,最新的计算机模拟对它们进行了更长时间的追踪,发现它们比我们设想的更容易分裂成小块,产生的恒星质量不超过太阳的50倍。在膨胀之后,它们会形成质量仅为太阳10倍的黑洞,远远不足以成为准类星体的种子。纳塔拉让说:"它们就是不够大。"

而且,普通的恒星质量黑洞本该广泛形成于每个早期星系之中。它们中的一部分会没入星系中心,成长为质量更大的黑洞,因此,到了今天,即使是较小的星系中央也应该有一个质量较大的黑洞。但这并不符合观测结果。去年,普林斯顿大学的珍妮·格林(Jenny Greene)发现,在总质量约为太阳十亿倍的小型星系中,只有大约一半存在中心黑洞。

似乎结论只有一个:我们需要一颗更大的种子。(如下图)

一个可能的情况是,超巨质量黑洞不是由单一一颗恒星形成的,而是多颗恒星。来自位于伊利诺斯州埃文斯顿的西北大学的弗雷德·拉西欧(Fred Rasio)说:"我们知道,在早期宇宙中恒星形成于暴炸异常活跃的区域。"他在2003年对早期星团进行了模拟,那里有数百个明亮的幼年恒星正在萌芽。质量较大的恒星涌向星系中心,不可避免地发生了碰撞。"那东西说不上是恒星,它的质量大约是太阳的数千倍,"他说。接下来发生的事情就不容易模拟了。拉西欧推测,它可能会坍缩,形成一个黑洞,质量为太阳的几千倍。

这个想法真不错,如果我们能在今天的星团里找到相似的中等质量黑洞就更好了。我们在附近的星系里发现了一些有希望的候选者——极亮X射线源(ultraluminous X-ray source,简称ULX)。它们的亮度似乎足够显示一个大型黑洞的存在。但在2011年,对我们的邻居仙女座星系中的一个ULX的观测显示,它的特征谱线和行为都和我们的银河系中心的小型黑洞相同,质量大约是太阳的10倍。其他ULX可能也只有这么小。

无论如何,即使是1000倍太阳质量的黑洞种子,也需要让自身质量翻上20番才能成为10亿太阳质量级别的巨怪。为了长成像ULAS J1120+0641这样的怪物,几乎所有的种子都需要不停地吸收物质。

也许我们需要更大胆的设想。如果说小型黑洞是恒星内核坍缩的时候形成的,那么大型黑洞会不会形成于星系中心的坍缩呢?

这个设想最初是剑桥大学的马丁·里斯(Martin Rees)在1978年提出的。它似乎简单而有说服力,但要把那么多物质塞进星系中心并不容易。第一道障碍是自转。在邻居们的引力作用下,即使最早的原星系也存在微小的自转。星系收缩的时候,气体旋转速度加快,就像被卷进龙卷风的空气。最终,向心力和引力达到平衡,形成一个半径几百光年内几乎没有任何物质的气体转盘。

上世纪90年代,拉西欧和哈佛大学的阿伯拉罕·罗伯(Abraham Loeb)提供了一个解决方案。如果一个原星系旋转速度较慢,密度较大,它的内核可能不稳定。多余的气体逐渐累积,形成旋转的细长气体带,就像被重力驱动的齿轮,把内部的旋转带到外部。原星系的内核可能因此坍缩,成为一个密度大得多的结。

下一幕剧情还未写就,但里斯和他当时的同事博尔德市科罗拉多大学的玛塔·沃伦特利(Marta Volonteri)、米歇尔·伯格尔曼(Mitchell Begelman)在2006年进行了运算,结果显示可能出现一颗巨大的"类恒星"。这是一个稠密的包裹着小型中心黑洞的气体茧壳,它的厚度约为数亿公里。茧壳的巨大质量迫使物质进入黑洞,只要几千万年就可以把黑洞增重到太阳的一百万倍。这么一颗沉甸甸的种子或许能使理论与观测结果相符:它只要把质量翻上10番,就能达到十亿倍太阳质量。即使没有一个精确平衡的气体供应源,这个过程在7亿年的时间限制下也能完成。

但仍有问题悬而未决。在最初的坍塌过程中,气体容易分散形成小团,进而聚集、燃烧并形成恒星,使得"类恒星"无法获得充足的物质。其中一些恒星会演化成超新星,它的爆发会摧毁气体供应来源,阻断黑洞的生长。不过这个问题可以解决:附近的星暴产生的紫外线辐射会加热气团,阻止它们结合;星暴的扰动也可能干扰气团的聚集。然而,许多天文学家认为这个解释过于牵强。拉西欧就表示:"直接的坍缩受许多微妙的因素影响。"

理论猜想一再落败,事实会不会比我们想象得更加离奇?最大胆的猜想是,巨型黑洞直接形成于大爆炸之后的烈焰中。那是个混乱的相变过程,物质和辐射突然自行重组,例如在宇宙的第一个毫秒中,夸克聚集起来形成了质子和中子。这个进程可能是不均匀的,因此在密度超高的地方就形成了黑洞,质量大约和太阳相当。

作为一个种子这也还是太小了。但来自俄罗斯莫斯科的宇宙粒子物理研究中心(Center for CosmoParticle Physics)的谢尔盖·鲁宾(Sergei Rubin)猜测,这些黑洞可能会聚集起来,迅速变成一个大型黑洞。第二次相变发生在第10秒左右,电子和正电子彼此湮灭,留下充斥着伽马射线光子的的空间。这时,最大可达10万倍太阳质量的黑洞可能瞬间形成。

这些原始宇宙中的庞然大物可能会吞噬着周围的气体并发出强烈的X射线辐射,在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。目前的研究仍未发现这些痕迹,但也没有排除少量罕见巨型原始黑洞存在的可能性,它们足以成为早期类星体的种子。

即便如此,大多数研究超大质量黑洞来源的天文学家仍然认为,原始种子的存在并不必要,甚至有些不合理。伯格尔曼说:"并没有令人信服的论据能证明它们为什么要形成。你需要应用更奇特的宇宙学理论。"

可能暗星理论更符合科学家的口味。2007年,当时在加利福尼亚大学圣克鲁兹分校工作的道格拉斯·史波利亚(Douglas Spolyar)和同事们猜想,第一代恒星可能是由暗物质供应能量的。暗物质粒子进入星球中心,互相碰撞和湮灭,产生的热量比氢氦核反应要小。暗星不会用强烈的辐射推开靠近的气体,因而几乎可以无限生长,直到坍塌形成大约10万倍太阳质量的黑洞种子。

不归之点

这个理论完全可以检验。暗星发出的红外线足以被哈勃望远镜的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope)探测到。它预计在2018年升空,还可能探测到"类恒星"。

如果它一无所获,我们还需要更精巧的工具来追寻超大质量黑洞的来源。相对论认为黑洞相撞会产生大量的引力波,即不断传播的空间翘曲,太空激光干涉仪(Laser Interferometer Space Antenna,简称LISA)的设计目标就是探测引力波的存在。长期以来,LISA一直在努力脱离图纸走向现实,但一旦它被发射到太空中,就能探测到四面八方正在融合的黑洞发出的引力波。

与此同时,天文学家还将在更遥远的时空中搜寻类星体的身影。如果他们又发现了出现在宇宙更早期的类星体那该怎么办?最终他们会在大爆炸发生的几亿年后找到类星体,即使从一个一百万倍太阳质量的种子开始生长,几亿年时间也不够形成这样的超大质量黑洞。如果是这样,上面的理论就得统统推翻,我们将继续陷入无知的黑暗,迷失在充满黑洞的宇宙中。

关于本文

本文最初以"巨怪合体"的标题发表。

作者史蒂芬·倍特斯比(Stephen Battersby)是《新科学家》的顾问,杂志总部位于伦敦。

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15 Responses to “[小红猪]饕餮盛宴:黑洞如何迅猛扩张?”

  1. coldrocky说道:

    感觉有点问题:
    类星体SDSS J1030+0524。我们看到的它正处于大爆炸之后仅9亿年,它释放的巨大能量只可能来自于一个质量超过太阳10亿倍的黑洞。理论推测,为了实现从100倍到10亿倍太阳质量的飞跃,也就是说要让质量翻上23番,SDSS J1030+0524中的黑洞的年龄大约在7亿年。
    宇宙的年龄有130多亿年。如果此类星体形成于大爆炸后9亿年,它还有120多亿年的时间慢慢成长,于理论要求的最小时间7亿年一点也不冲突啊?

    • motion说道:

      因为光速有限,我们看到的只是它在宇宙年龄9亿年时的样子.
      换言之,我们看到的是它的''儿童照''
      举个栗子,一个成年人长到1.9米并不稀奇,但是如果我们拿到一个三岁孩子的照片(现在他可能已经成年),发现他三岁时就身高1.9米,这就很不正常

      • 卞少说道:

        没错,我们看到的那些早期巨型黑洞,只是婴儿照,至于过了138亿年,那些黑洞恋成了什么样子,我们就不知道了,变成几万亿倍太阳都不奇怪

        • coldrocky说道:

          哦,理解了。不过还没有推翻理论值。9亿年的表征寿命和7亿年的最小时间要求还有两亿年的空余。

  2. yidetion说道:

    科学家推测几乎每个大型星系的中心都有一个巨大的黑洞,包括我们的星系。银河系的质量是太阳的500万倍。
    =================================
    真的只有500万倍吗?

    • uping说道:

      看来也有人发现这个问题了。估计是五百万亿倍

      • Metaverse说道:

        是500万倍而不是五百万亿倍,银河系总质量才1万亿倍太阳质量。

        • 张大胡子说道:

          应该是“银河系中央的黑洞的质量是太阳的500万倍”吧。

  3. boy说道:

    估计不止1个宇宙,这样可以解释为啥有那么巨大的黑洞,就好像1本书,可以撕开很多口, 每一页是一个宇宙的话,那些撕开的口就是黑洞

  4. 隐矢宇说道:

    黑洞把物质变成什么了,如果变成了高能射线脱离了黑洞,那么那些射线永远都不会沉寂下来变成物质吗?

  5. 雨哥说道:

    boy:的意思我可以理解为 黑洞是每个宇宙与另一个宇宙的空间入口?

  6. 罗才说道:

    悬而未解之前只能是猜想

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    宇宙神秘

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