撲朔迷離的超大質量黑洞之謎
關於宇宙初期為何就存在超大質量黑洞這一點上，天文學家就從來沒想明白過。自2006年以來的觀測結果顯示，在宇宙誕生不到10億年的時候，就已經有質量至少為10億個太陽的黑洞出現了。根據傳統認知的黑洞形成方式，這個時間太過於早了。
耶魯大學的理論天體物理學家 Priyamvada Natarajan 說，如果只有一兩個這樣的超古老的龐然大物，或許還可被視作為怪物而忽略。但迄今為止，天文學家已經發現了超過100個這樣的超大質量黑洞，而且這些它們都在宇宙年齡還不到9.5億年時就已經存在了。Natarajan 說：「這個數量太多了，多到無法被視為怪物。它們的形成必須有個自然的解釋。」
○ 超大質量黑洞會不斷地吞噬周圍的氣體和塵埃。| 圖片來源：NAOJ
通常的假說認為這些黑洞要麼自誕生起就大得嘆為觀止，要麼就是它們有著超乎尋常的增長速度。但這些理論正受到一些新發現的挑戰，天文學家不得不重新思考早期的超大質量黑洞究竟是如何生長的這一問題。
在現在的宇宙中，黑洞通常由大質量恆星形成，這些恆星會在生命的盡頭因自身的引力作用而坍縮。它們的質量一般從小於100個太陽質量開始，可以通過與另一個黑洞合併、或從周圍的環境中吸積氣體來生長。
通常，這種氣體會形成一個圍繞著黑洞的吸積盤，由於摩擦的作用，盤的溫度會被加熱到白熱溫度，並釋放出穿越數十億光年仍能可見的光輝。這些黑洞以氣體為「食」，被稱為類星體。一個類星體的「進食」速度越快，環繞它的盤所發出的光也就越亮。
但這種從氣體發出的光芒會限制黑洞的生長：盤所釋放出的明亮光子會將新來的物質推開，因而給每個黑洞的增長速度加上了一個物理極限。天文學家用「愛丁頓比（Eddington ratio）」來表示黑洞的「進食」速率，愛丁頓比衡量了黑洞的實際亮度與它在儘可能快速進食時的亮度的關係。
○ J1342 + 0928是迄今為止發現的最遙遠的類星體，其中心為超大質量黑洞，被吸積盤圍繞著，並伴隨著噴流的出現。 |圖片來源：Jinyi Yang/Reidar Hahn/M.Newhouse
挑剔的食客
天文學家只測量了大約20個早期宇宙的超大質量黑洞的愛丁頓比，發現大部分似乎都在以極限速率進食，而在現代宇宙中，類星體的「進食」速度大約只有它們的十分之一。但即便是如此瘋狂的「餵養」速率，似乎仍無法解釋那些超大質量的黑洞是如何形成的：就算將黑洞的進食速率會隨著黑洞的增長而加快的因素考慮在內，一個質量為100個太陽質量的黑洞即使以極限速率生長，也需要大約8億年的時間才能達到10億太陽質量。而且這8億年並不包括它的最初形成時間。
但韓國國立首爾大學的物理學家 Myungshin Im 和他的同事還有一個擔心，他們認為之前的觀測或許忽略了那些更「挑剔的食客」，因為已被發現的大多是那些進食更快的黑洞，它們更加明亮，因此更易於被探測到。如果早期的大質量黑洞中存在一部分「慵懶的食客」，那它們的超大質量就更加匪夷所思了。這種黑洞的存在或許能幫助天文學家排除一些現有的增長假說。
因此在2015年9月，Im 和他的團隊在智利拉斯坎帕納斯天文台進行一次觀測中，特意搜尋更暗淡的遙遠類星體：他們發現了質量為10億個太陽質量的黑洞 IMS J2204 + 0112，它的進食速率是極限的1/10，大約從宇宙誕生後的9.4億年開始就存在了。但以它的進食率來算，它至少需要80億年才有可能長到「成熟」階段。
Im 說：「這是首次發現的在早期宇宙中存在的低愛丁頓比的類星體。」 IMS J2204 + 0112 是目前被發現的最暗淡的慢食類星體，但它並非唯一。德國馬普天文研究所的物理學家 Chiara Mazzucchelli 和她的同事在去年11月的《天體物理學》期刊上，報道了在宇宙年齡不到8億年時就存在的11個「挑剔」的超大質量黑洞。
據報道，這些類星體的平均質量約為16.2億個太陽質量，但進食速度約為極限的40％。奇怪的是，在這組黑洞中，雖然質量最大的是約重47億個太陽質量的 HSC J1205-0000，但它的進食率卻最低——僅為極限的6%。
在早期宇宙中發現「食慾」如此浩大的超大質量黑洞本就已經夠奇怪了，但同時它們還是些挑剔的食客，這更令人不可思議。
天文學家希望能夠回溯到更久遠的過去，以尋找可能成長為如此巨獸的黑洞「種子」。如果有的黑洞從一開始就很巨大，比如初始質量為1萬到1百萬個太陽質量開始起跳，那麼它們可以通過相互合併、或以接近愛丁頓極限的速率吸積而變得更大。
哈佛大學的天體物理學家 Avi Loeb 說：「假如一個黑洞是從一個如此巨大的『種子』開始生長的話，就等於贏在了起跑線。在那種情況下，增長到10億個太陽質量所需的時間就不用那麼長了。」
但在過去15年里，理論家一直試圖弄清楚——如此巨大的黑洞最初究竟是如何形成的。其中一個想法就是大質量的氣體雲、或超大質量的恆星直接坍縮成了一個巨大的黑洞。
超大質量的種子
但最近的研究表明，事情沒那麼簡單。物理學家 Dominik Schleicher 說，理論上看，那樣的氣體雲很容易碎裂從而形成一群小型恆星，而不是坍縮成一顆大的恆星。
在2018年5月將發表於《皇家天文學會月刊通報》中的一篇論文中，Schleicher 和他的同事表示，這種星團也可能產生大質量的黑洞種子，因為新形成的恆星會聚集遺留在星團中的氣體。這些恆星或許能膨脹到太陽半徑的100到1000倍。這種膨脹導致的彼此接近會使這些恆星發生碰撞，從而引發多米諾效應，最終將星團中的所有恆星聚集成一顆質量為太陽質量1萬倍的超大質量恆星。而這顆超大質量的恆星可能會坍縮，形成一個質量相對較大的黑洞種子。
另一種可能性是早期的超大質量黑洞直接突破了愛丁頓極限。它們的進食速度已經快得超出想像，並在減慢之前就已增長到接近超大質量的規模。
Loeb 指出，目前宇宙中就存在黑洞的進食速率高於愛丁頓極限的情況，例如當它們撕裂并吞食一顆恆星時。還有一些情況下，輻射可能被困在黑洞的表面附近，使得它們無法將新進物質推開。在這種情況下，黑洞的進食速率就能變得儘可能的快。
又或者這兩種說法都有可能，如 Natarajan 和她的同事認為的那樣：自誕生時就是巨大的黑洞，就會成長得更快。Natarajan 說：「證明它們的證據正在慢慢增加，我們需要思考更多的可能性。」
2017年12月，她與同事在《天體物理學》雜誌上發表了一項研究，通過計算機模擬，證明了某些環境可以促進黑洞的生長，讓黑洞可以連續地消耗氣體。
○ 模擬顯示，小質量的黑洞種子不可能在宇宙誕生後的10億年內，成長為超大質量黑洞。但那些自誕生就擁有巨大質量的黑洞，會成長的越來越快。 |圖片來源：F. PACUCCI ET AL/ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS 2017
儘管如此，只有質量至少為1萬個太陽質量的黑洞，才有可能在10億年內增長到10億個太陽質量。最大的那些黑洞種子更可能產生於富含氣體的環境中。
Natarajan 解釋說，這些黑洞周圍的環境和誕生條件實際上使它們處於一個要麼快速增長、要麼緩慢增長的軌道上。大質量的黑洞種子就像是一出生就含著金湯匙的選手——在生命的開端就已把其他黑洞甩在了後面。
對於天文學家而言，如果他們希望找到超大質量的黑洞種子，則需要觀測到更遙遠的過去。將於2019年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡應該能探測到宇宙大爆炸後的4億或5億年內的類星體和恆星。未來的引力波天文台 LISA也將致力於探測縱觀整個宇宙歷史中出現的超大質量黑洞。
正如 Natarajan 說的，想要區分這些模型的唯一方法，就是回到最遙遠的過去看一看。
文：Lisa Grossman / 譯：Zwicky
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