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来源:nmdjv.cn 晋州晚报
2020-3-8

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黑洞在其周围形成的引力透镜现象

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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。

  假如将可观测宇宙历史138亿年浓缩为100年那就相当于在宇宙只有5年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。假如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)与介于恒星级与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与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我的生命。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与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与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。这令人疑惑假如说它是从一个婴儿(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。

  但假如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与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——一团主要成分为氢与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注意度越来越高。

  有关宇宙如何在其早期养育出胖子黑洞还有很多未解之谜,相信观测技术与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与黑洞在种子黑洞的寻找与研究上有所收获;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。(左文文 中科院上海天文台副研究员)

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