超大質量黑洞增長速度的剋星：吸積盤

黑洞

據國外媒體報道，研究人員稱，宇宙形成之初，黑洞的增長速度令人難以置信。這或許有助於解釋為什麼在宇宙早期就出現了超大質量黑洞。

黑洞因其超高密度而擁有巨大的引力，即便是光也無法從中逃脫。對於黑洞的形成普遍認為是由於大質量恆星在演化末期發生了劇烈的超新星爆炸，爆炸將其核心擠壓成一個密集極高的星體——這就是黑洞。

超大質量黑洞大都出現在星系的中心位置，其質量是太陽的幾百萬倍至幾十億倍。在宇宙形成早期，約在宇宙大爆炸後8億年，如此巨大的黑洞就已經出現。然而，人們一直無法解釋的是，為何這些大塊頭能夠在相對如此之短的時間內就能夠迅速形成呢？

當今黑洞的增長速度受到吸積盤（accretion disks）的限制。吸積盤由氣體和塵埃組成，圍繞黑洞旋轉並不斷被吸積到黑洞之中，它以兩種方式防止黑洞快速膨脹。其一，由於吸積盤中的物質被吸入黑洞，會對其他墜入黑洞的物質形成阻塞。其二，由於阻塞過程中的不斷碰撞而使得黑洞溫度上升，從而形成帶能輻射（generating energetic），將氣體和灰塵從黑洞中驅散出去。

此項研究的帶頭人、來自以色列魏茨曼科學研究所（the Weizmann Institute of Science）的天體物理學家亞歷山大？塔爾（Tal Alexander）說：「與吸塵器不同，黑洞並不是積極主動地吸入物質。一個恆星或者氣體流能夠在黑洞周圍形成穩定的軌道，就像是地球圍繞太陽運轉一樣。很難設想有什麼方法可以讓這些氣體流以足夠快的速度進入黑洞，從而使得黑洞快速膨脹。」

然而，亞歷山大和他的同事Priyamvada Natarajan已找到對於此問題的一個解答——在沒有吸積盤限制的情況下早期黑洞或許可以快速膨脹成為超大質量黑洞。他們二人的研究發現已於8月7日在《科學》雜誌網站發表。

圍繞在黑洞周圍形成的吸積盤

他們的研究方法是模擬早期黑洞的增長過程。他們將一個約太陽十倍大小的黑洞放入在成千上萬的星團之中，並在黑洞周圍模擬出寒冷、稠密且非透明的連續氣體流。亞歷山大說：「我們所模擬的早期宇宙和現實的宇宙相比要小很多，但在密度上卻更大。」

正是由於氣體流寒冷且稠密，從而掩蓋了墜入黑洞物質發出的大量帶能輻射。此外，圍繞黑洞的眾多恆星所產生的引力使得氣體流隨機運動，這種雜亂無章的運動方式阻止了吸積盤本就緩慢的形成過程。這就意味著，來自四面八方的物質不需要被迫圍繞其旋轉進而逐漸被吸入黑洞，而是直接落入黑洞之中。

研究人員認為，在研究模型中所觀測到的黑洞「超指數增長」表明，一個只有太陽十倍大小的黑洞能夠在宇宙大爆炸僅10億年後增長至太陽質量的100億倍。亞歷山大說：「這個研究結果對於大爆炸後超大質量黑洞的快速形成給出了較為合理的解釋。」。

未來的研究方向是探究在當今宇宙中是否也存在黑洞的超指數增長。見於宇宙早期的高密度且高質量的氣體流，或許存在於同樣高密度且不穩定的恆星集群形成過程中，又或許存在於現有超大質量黑洞周圍的吸積盤中。

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