超大質量黑洞是如何形成的

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天文學家有了一個新模型來描述這些無法想像的原始宇宙怪獸的起源。

超大質量黑洞——一個質量可達數億至數十億個恆星的天體——是現代天體物理學最深奧的秘密之一。它們潛伏在大多數大型星系的核心位置，包括我們的銀河系。鑒於黑洞在宇宙中無處不在，所以它們在宇宙形成和演化過程中很可能起到了至關重要的作用。但是它們的質量究竟是如何變得如此之巨大，長久以來一直困擾著全世界的理論物理學家。

哈勃望遠鏡所揭示的我們的宇宙

來源：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

最合乎情理的解釋——這些可怕的東西在過去的數十億年里通過吞噬大量的氣體來獲得如此大的質量——這個想法如今也被認為是錯誤的。最近的觀測發現，僅僅在大爆炸8億年之後，擁有數十億太陽質量的黑洞就存在了。所以，這就出現了一些謎題：它們是如何那麼迅速地變成那麼大質量的？大多數天體物理學家認為，超大質量黑洞肯定是起源於小的「種子」黑洞。他們只是在一個種子有多小這個問題上沒有達成共識。一種較為傳統的理論思想認為「種子」黑洞應該很大——有可能達到數千至上萬個太陽質量；而另一種理論則認為「種子」可能很小——有可能不及一百個太陽質量。

兩個陣營都認同的一個事實是，黑洞是貪婪的捕食者：只有在它旁邊有物質開始堆積之後，引力才能把如此多的氣體塞進它的胃裡，形成又白又熱的圓盤，這些圓盤發出強輻射並且把再次即將到來的氣體推向遠方，這就有效地切斷了黑洞的食物供應。這個極限叫做愛丁頓極限，並且它被認為是嚴重阻礙任何黑洞吞噬物質和膨脹的原因。用這種小種子模型的好處就在於，這些次中重量級黑洞相對好形成；缺點是當黑洞從次中重量級迅速變為超重質量級時，必須更多地考慮到愛丁頓限制，並且需要依靠各種各樣的可能性來避開它的局限性。相比之下，大種子模型，更符合給超大質量黑洞一個巨大質量的開始以避開大量吞噬氣體所帶來的愛丁頓極限——但是它們的質量越大相應地就越難以形成。巨大的氣體雲不僅可以坍塌形成大質量黑洞，還能破碎成團塊，這些團塊會形成行星團，而非大質量黑洞。

無論支持大種子模型還是小種子模型，「都有很多理論嘗試去解釋超大質量黑洞的形成和存在，然而它們都不能給出一個令人滿意的解釋，」東京大學的天體物理學家吉田直樹說。吉田直樹是大種子的理論的支持者，他在發表於《自然》雜誌的最新研究中揭示了他們是如何使早期宇宙產生並形成數量巨大的超大質量黑洞。他的「合理解釋」是在宇宙爆炸後，用高速流動的氣體作為黑洞質量迅速增長的關鍵催化劑。具體來說，它是依賴於急速上升的氣體和暗物質之間的相互作用，這種暗物質是一種神秘無形的物質，它似乎是星系之間的引力膠。

圖片為電腦模擬的，一個星系中心的超大質量黑洞。

形成一個黑洞

吉田教授和他來自於德克薩斯大學奧斯汀分校和德國圖賓根大學的合作者一起，運用電腦模擬技術，通過賦予程序關於宇宙學的參數（例如暗物質的密度）並重新創造了早期宇宙的條件，這些參數是天文學家們從早期宇宙組成的測量數據中計算出來的。吉田教授說「我們將嘗試使這個模擬狀態儘可能的接近我們實際觀察到狀態並且使模擬宇宙隨著時間的推移發生演變。」

根據這個團隊對模擬宇宙的研究，在宇宙中的某些地方，來自暗物質的能量會使高速流動的氣體中的原始氫和氦在大爆炸中留下。在爆炸之後，研究者們最近發現，這些早期的氣體在一些地區加速並達到一種「令人不可思議」的速度—或者像吉田教授那樣稱它是「超快風」。吉田教授說「你可以這樣設想，你很難捕捉到它們，因為這種氣體移動的很快。」他說，當你把手放在消防管的噴口處，你的手會被那股力沖回來。「唯一能夠使這種超強風停止的方法是創造出足夠強的引力。」他這樣說道。這些研究者們在早期宇宙中每隔三十億光年的廣闊區域中計算了這股引力，那裡有足夠量的暗物質提供引力來將這些氣體收入囊中——就像有足夠的力量使消防管道里的水向相反的方向推回去一樣。作用在氣體和暗物質之間的引力形成了一團巨大的氣體雲並且會阻止小行星的形成。

這片氣體雲非常龐大，質量相當於200萬個太陽，並且正以310千米/秒的速度在宇宙中高速飛行，預計在3000萬年後與銀河系相撞

來源：Netease

這種模擬氣體之後塌縮成一個巨大的星體，這個星體之後繼續吞噬更多的氣體直到它達到太陽質量的三萬四千倍。這個假想的大質量恆星只有在其成分只有氫和氦的情況下才能存在——在任何恆星發生超新星爆炸以前，會圍繞著早期宇宙的兩種元素氣體產生更重的元素，例如碳，氮和氧。之前曾經有人提出過大質量恆星的想法，但是這是第一個來模擬出它的團隊。「我們的計算機模擬結果顯示，這種現象確實發生了，並且這種巨大的星體確實可以形成」吉田教授說。當星體達到一定的質量後，會發生坍縮，超大質量的黑洞種子由此產生；他說「黑洞種子就這樣理所當然的產生了，這就是為什麼我認為這是最終的答案，至少是黑洞起源這個問題的答案」但是並不是所有人都同意這個觀點

超新星爆發射出「鐵子彈」創造了地球

來源：Tencent technology

結果很好，但是……

其他支持大種子假說的科學家們對於這些種子最初是如何形成的持有不同的意見。例如最新刊登於《自然天文學》的研究中寫道：這些種子不是通過暗物質產生的，而是通過普通星體在星系中的某些行為產生的。在這種情況下，恆星發出的紫外線可以阻礙行星形成巨大的氣體雲，這使得它可以存在足夠長的時間來直接坍縮成一個擁有十萬倍太陽質量的黑洞。

約翰.懷茲，喬治理工學院的天文學家，同時他也是《自然天文學》研究的合著者，他認為這項研究的出現是這個領域向前發展的重要一步，因為吉田和他的合作者是第一個模擬出早期氣體運動對黑洞造成的影響。但是約翰教授說這個模擬並不影響他自己的理論。他說「我認為有足夠多的理論可以解釋超大質量的黑洞的形成，這只是其中一種方法而已，並且我認為它完全是有可能的。」而且他承認在早期宇宙很難找到移速如此之快的氣體。「這些氣體的速度取決於它們位於宇宙中的哪個位置，所以這種現象實際概率很低。」根據吉田教授在早期宇宙中的研究，在早期宇宙中遇到移速如此快的風穿過一個區域的概率有百分之零點三。相反，吉田和他的合作者注意到，巨型氣體雲直接接近星系產生星體的地方都很少見。吉田說「這種事件發生的概率是難以確定的。」

格雷格·布萊恩，哥倫比亞大學的天體物理學家，同時也是《自然天文學》的資深作家也贊同這一項新的發現。他說，「這不是一個最終的答案，但是是迄今為止研究黑洞形成這種特殊模式的最合理的理論。」但是，他有一點擔心吉田的計算機模擬結果到底能不能模擬一系列星體形成的模型。對於一個黑洞的形成來說，一堆早期氣體需要聚集到一個很小的區域，如果這些氣體分散開形成一系列星體，那麼將無法形成大質量黑洞。他說，如果模擬條件下的環境發生了哪怕一丁點的變化，它將無法產生巨大質量的種子。格布萊恩補充道「另一方面，就像我相信其他模型那樣，我相信吉田他們的模型。」

弗爾維奧·米利亞，亞利桑那大學的一位天體物理學家，表示不看好這個理論。「作者需要依靠很多未知的物理規律，就像所有那些大質量種子形成假設，或是這些物體以非常高的速率成長的假設，」他說。「他們需要對暗物質的行為去做出具體的假設，但是我們甚至根本不知道這是什麼東西。」