穿不下褲子的黑洞

科技 05-01

早期宇宙中的一個特大質量黑洞相對宿主星系至少重了10倍，這就為星系與黑洞的共同演化理論帶來了疑問。

溫度計的讀數一直在低得危險的區域徘徊，最終進入了紅色區域。米根·烏里（ Megan Urry ）非常緊張。她正在使用世界最大的望遠鏡之一——夏威夷的10米凱克 I 號望遠鏡進行觀測，並不希望損失寶貴的望遠鏡時間。

莫納克亞（ Mauna Kea ）山頂位於太平洋之上14000英尺，這裡的降雪並不罕見。但是她擔心的並不是雪。天空晴朗清澈。實際上天氣太好了，她可以徑直看到可觀測宇宙的一半。不，她擔心的是一旦溫度降到某一臨界值之下，望遠鏡操作員就必須要關閉設備，否則就要承擔圓頂凍結的風險了。

溫度計讀數在紅色警戒區停留了讓人屏氣的5分鐘，最終才由於日光的到來升了回來。烏里如釋重負地長吁一口氣，因為沒有讓努力工作泡湯而興奮。但她沒有意識到的是，在2月份這個冰冷的夜晚她有多麼的幸運。她正在研究的天體很快就會顛覆一切的預期了。

穿不下褲子的黑洞

經典類星體的藝術概念圖。CID-947 擁有一個與之相當的強勁特大質量黑洞，但所在的星系要小得多。（圖片提供：University of Toronto / Dunlap Institute）

龐大的黑洞

CID-947 是一個特大質量黑洞，由於它正在活躍地吞噬氣體並噴出輻射，因此整個可觀測宇宙都可以看到它。從各方面看，這都是一個經典的類星體，只有一點例外：相對星系來說，它的特大質量黑洞太重了。

在過去的10年里，天文學家發現了特大質量黑洞相對宿主星系之間的標度關係。黑洞質量越大，星系質量也越大。平均來說，特大質量黑洞的質量相當於宿主星系的百分之一到千分之一。像這樣看上去一致的關係讓天文學家猜測，黑洞的成長與宿主星系的成長是交織在一起的。

但是 CID-947 並不符合這一關係。這個類星體存在於大爆炸20億年之後，質量是其宿主星系的8分之一不到。來自哈佛—史密松天體物理中心的合作者馬丁·埃爾維斯（ Martin Elvis ）說：「我們發現了一個大得穿不下褲子的黑洞。」

星系是否會單獨成長？

這樣奇怪的黑洞提出了一系列的問題，每個小組成員都有自己的傾向。比如埃爾維斯就希望黑洞是如何如此快速地獲得如此大的質量了。（這個問題現在變得日益常見）

另一方面，烏里希望了解它看上去像是如今的哪類星系。烏里說：「讓它演化成如今所見的常見天體的唯一途徑是，在接下來的120億年里，星系大幅增長，但黑洞根本不成長。這有點奇怪了。」

但是這是可能的。氣體沿細細的暗物質纖維持續向星系釋放開去。烏里說：「你可以認為，宇宙中的所有物質都一直會朝向更為緻密的區域運動，遠離低密度區域。」最終大量物質會降落到星繫上，因此星系會持續增重。

同時它們的特大質量黑洞可以保持不變。雖然黑洞通常被視作饑渴的巨獸，會吞噬一切的鄰近氣體，但烏里說：「物質落進黑洞實際上是很困難的。」通常朝向黑洞運動的粒子軌跡與地球環繞太陽的軌道類似，粒子會環繞黑洞運行。

如果這是特大質量黑洞及其宿主星系遵循的經典演化路徑，那麼這兩者根本就不是緊密鎖定在一起的。相反黑洞會快速演化，隨後宿主星系跟進。來自德克薩斯大學奧斯汀（ Austin ）分校的專家約翰·克爾門迪（ John Kormendy ）同意，開始齊步演化的風潮可能是需要時間的。克爾門迪並未參與此項研究。

但是這是基於單一天體提出的強有力論斷。換句話說，烏里非常確信，這樣的天體很常見。與斯隆數字巡天（ SDSS ）這樣的大型巡天項目不同，她的小組只觀測了一小片天區（1平方度，作為對比， SDSS 觀測了1萬平方度）。而當你觀測如此小的天區時，你不太會期待著能夠看到什麼例外。這就好像是搜尋四葉草一般。如果你可以在一大片四葉草地中搜索，那麼找到的概率要比在一小從草中尋找大得多。而如果你確實在小草叢中找到了四葉草，那麼你就會懷疑這到底是由於幸運，還只是說四葉草很常見了。

而克爾門迪也對測量精度表示了他的顧慮。舉例來說，測量特大質量黑洞的質量非常微妙。小組是通過環繞黑洞的雲團速度測量求出黑洞質量的，但是由於無法清晰看到雲團，他們要進行一些假設。

而埃爾維斯也表示同意。黑洞的質量可能是大量誤差的源泉。埃爾維斯說：「但是這個類星體距離常規關係太遠，哪怕非常大的誤差也不會帶來不同的結果。解決這個問題非常麻煩。」

克爾門迪說：「這個天體為我們講述了一個戲劇化（但也存在一些不確定性）的故事，而其他天體之前也告訴過我們這些（同樣帶有很大的不確定性）。在科學前沿的生活很微妙，哪怕在你作出了絕佳的工作之後。」

來源：天之文

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