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年幼的宇宙 如何养育出大胖子黑洞

作者:左文文

2018-01-18 10:08  来源:科技日报  
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  黑洞在其周围形成的引力透镜现象

  黑洞从周围天体吸积物质的构想图

  近日,《自然》刊发的一篇文章再次刷新了人类探测黑洞的记录。该文章宣布发现了宇宙大爆炸之后6.9亿年的超大质量黑洞,是迄今所知宇宙最早期的超大质量黑洞。

  如果将可观测宇宙历史138亿年浓缩为100年,那就相当于在宇宙只有5岁时,养育了一个大胖子黑洞。这不禁让人疑问,这个胖子黑洞是如何养成的?

  宇宙中常见的怪兽

  黑洞的提出,还要回到爱因斯坦的广义相对论。在广义相对论提出的那一年,德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦方程的第一个严格解,对应的是球对称、不自转物体重力场的精确解。他发现,任何具有质量的物体都存在一个临界半径——后被称作史瓦西半径。如果某质量的物体塌缩至史瓦西半径,该物体将在自身引力作用下继续塌缩至黑洞。在史瓦西半径内,包括光子在内的任何粒子都无法逃离,意味着我们无法看到它。

  当然,黑洞不是停留在笔尖的数学解,而是宇宙中常见的怪兽。尽管我们不能直接看到黑洞,但可以通过它们对周围物质的引力影响来判断它的存在,如根据周围恒星或气体的运动、根据黑洞的强引力对光线的弯曲效应等。引力波信号的探测,以另一种方式证明了黑洞的存在。

  天文学家们根据质量的不同将黑洞分类成:恒星级质量黑洞(质量从几倍到几百倍太阳质量)、超大质量黑洞(质量大于几百万倍太阳质量)和介于恒星级和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞三大类。目前,恒星级质量黑洞和超大质量黑洞都被观测到,唯独中等质量黑洞的观测成果甚少。

  贪婪吞噬物质的一生

  一般认为,恒星级质量黑洞的形成与大质量恒星有关。它演化到晚期后,核心的燃料用尽,所产生的能量无法抵挡自身物质向内的引力,会发生塌缩,并以超新星爆炸结束自己的生命。当剩余的核心质量大于3.2倍太阳质量时,将会在引力作用下继续塌缩形成黑洞。

  面对中等质量黑洞缺乏观测证据的现状,天文学家们推测,中等质量黑洞的来源有三种可能机制:恒星级质量黑洞的并合或恒星级质量黑洞通过吞噬气体成长而形成,宇宙大爆炸过程中形成的原初黑洞,以及经星团历练后的大质量恒星塌缩而成。对于第三种可能,科学家认为在星团中,很多大质量恒星可能持续损失能量和转动的能力,因而慢慢移动到星团的中心,它们之间相互碰撞并合形成更大质量的恒星,直至形成质量在几百倍至几千倍太阳质量的恒星,并最终塌缩形成中等质量黑洞。

  至于超大质量黑洞,简单的回答便是通过更小质量黑洞的碰撞并合,以及更小质量的黑洞吞噬气体尘埃而成。

  黑洞吞噬物质在宇宙中是常见的。而黑洞并合带来成长,也不难理解。LIGO探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件,让更小的黑洞借助并合成长为更大的黑洞;几乎在每个大质量星系的中心都存在一个超大质量黑洞,宇宙中也不乏星系并合的观测证据,星系并合的后期,便是两者中心超大质量黑洞的并合。

  黑洞成长的时间危机

  黑洞吞噬周围气体是有节制的。黑洞在吸积吞噬周围物质时,物质下落释放的引力能会转化为辐射,当吞食的物质累积到一定程度,向外的辐射压会阻止物质的进一步下落。当天体作用于一个粒子上的引力和辐射压刚好平衡时,对应的临界吸积率称作爱丁顿吸积率。一般情况下,爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大效率。

  观测发现,在宇宙早期,比如宇宙大爆炸之后10亿年内,就存在质量为百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这令人疑惑,如果说它是从一个婴儿(种子)黑洞长大的,这个婴儿黑洞得多大?婴儿黑洞如何吞噬周围气体尘埃食物,才能长成实际观测到的大胖子呢?

  最自然的一类种子黑洞要寻根于宇宙大爆炸后几亿年左右形成的第一代星系。它们中的大质量恒星快速演化到晚期,发生超新星爆炸,核心残留的天体便是质量约几百倍太阳质量的黑洞。

  但如果假设种子黑洞是这类恒星级质量黑洞,鉴于质量增长的速度受爱丁顿吸积率限制,那么即使种子黑洞一直以最快速度成长,质量增长到十亿、百亿倍太阳质量所需要的时间也远远超过它的年龄。这就带来了所谓的黑洞成长时间危机问题。

  吃得更快,还是生来就更胖

  为了解决这个问题,缩短超大质量黑洞成长所需要的时间,天文学家们从理论上提出了多种可能方案,其中有三种广为接受。

  其中一种理论中,科学家假设种子黑洞仍然是小质量的恒星级黑洞,但是成长速度更快,以超过爱丁顿吸积率的速度吃东西。理论研究发现,要想维持超爱丁顿吸积,需要保证种子黑洞深居足够致密的气体中,从而光子无法有效地辐射出去。但是试想,种子黑洞所处的第一代星系中,新形成的恒星还不稳定,会吹出剧烈的星风;演化到晚期的恒星可能进入超新星爆炸阶段,产生强烈的冲击波。在如此不太平的环境中,能否维持那一方致密气体包裹住种子黑洞,让它能保持超爱丁顿吸积直至成长为超大质量黑洞,仍然是个未知。

  在另一种方案中,科学家认为宇宙早期就存在中等质量黑洞,种子黑洞生来就更胖,而它们源于气体云块的直接坍缩。这一方案的重点在于,气体云块无法有效冷却,因而抑制了气体云的碎裂和后续的恒星诞生,导致最后直接引力塌缩为中等质量黑洞。在真实的早期宇宙中,具有这种性质的气体云块确实可能存在——一团主要成分为氢和氦的气体云,沐浴在紫外光子的海洋中。而针对黑洞吞噬的气体供给方面,近日上海天文台沈俊太的研究提供了一种可能,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;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。

  不过也有科学家认为,作为种子黑洞的中等质量黑洞,源于经星团历练后的大质量恒星的塌缩。

  为了缓解时间危机,后两种机制没有试图加快种子黑洞通过吞噬气体来成长的速度,而是理论上预言宇宙早期存在中等质量黑洞作为种子黑洞。在上述三种理论中,第二种理论的预言与一些观测结果相符,因此该理论的受关注度越来越高。

  关于宇宙如何在其早期养育出胖子黑洞,还有很多未解之谜,相信观测技术和设备的提升会揭开宇宙早期的更多秘密,如詹姆斯·韦伯望远镜将能直接观测到最早期的星系和黑洞,在种子黑洞的寻找和研究上有所收获;以激光干涉空间阵列为代表的空间引力波探测器将有助于限制黑洞并合模型;高精度的数值模拟也将帮我们理解黑洞的形成与演化。

  (作者系中科院上海天文台副研究员)


(责任编辑:孙鹏)

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