年幼的宇宙如何養(yǎng)育出大胖子黑洞

左文文

近期，《自然》刊發(fā)的一篇文章再次刷新了人類探測(cè)黑洞的記錄。該文章宣布發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸之后6.9億年的超大質(zhì)量黑洞，是迄今所知宇宙最早期的超大質(zhì)量黑洞。

如果將可觀測(cè)宇宙歷史138億年濃縮為100年，那就相當(dāng)于在宇宙只有5歲時(shí)，養(yǎng)育了一個(gè)大胖子黑洞。這不禁讓人產(chǎn)生這樣的疑問：這個(gè)胖子黑洞是如何養(yǎng)成的？

宇宙中常見的怪獸

黑洞的提出，還要回到愛因斯坦的廣義相對(duì)論。在廣義相對(duì)論提出的那一年，德國(guó)天文學(xué)家史瓦西求出了愛因斯坦方程的第一個(gè)嚴(yán)格解，對(duì)應(yīng)的是球?qū)ΨQ、不自轉(zhuǎn)物體重力場(chǎng)的精確解。他發(fā)現(xiàn)，任何具有質(zhì)量的物體都存在一個(gè)臨界半徑—后被稱作史瓦西半徑。如果某質(zhì)量的物體塌縮至史瓦西半徑，該物體將在自身引力作用下繼續(xù)塌縮至黑洞。在史瓦西半徑內(nèi)，包括光子在內(nèi)的任何粒子都無(wú)法逃離，意味著我們無(wú)法看到它。

當(dāng)然，黑洞不是停留在筆尖的數(shù)學(xué)解，而是宇宙中常見的怪獸。盡管我們不能直接看到黑洞，但可以通過它們對(duì)周圍物質(zhì)的引力影響，如根據(jù)周圍恒星或氣體的運(yùn)動(dòng)，或根據(jù)黑洞的強(qiáng)引力對(duì)光線的彎曲效應(yīng)等來(lái)判斷它的存在。引力波信號(hào)的探測(cè)，以另一種方式證明了黑洞的存在。

天文學(xué)家們根據(jù)質(zhì)量的不同將黑洞分類成：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（質(zhì)量從幾倍到幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（質(zhì)量大于幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）和介于恒星級(jí)和超大質(zhì)量黑洞之間的中等質(zhì)量黑洞三大類。目前，恒星級(jí)質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞都被觀測(cè)到，唯獨(dú)中等質(zhì)量黑洞的觀測(cè)成果甚少。

貪婪吞噬物質(zhì)的一生

一般認(rèn)為，恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成與大質(zhì)量恒星有關(guān)。它演化到晚期后，核心的燃料用盡，所產(chǎn)生的能量無(wú)法抵擋自身物質(zhì)向內(nèi)的引力，會(huì)發(fā)生塌縮，并以超新星爆炸結(jié)束自己的生命。當(dāng)剩余的核心質(zhì)量大于3.2倍太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，將會(huì)在引力作用下繼續(xù)塌縮形成黑洞。

面對(duì)中等質(zhì)量黑洞缺乏觀測(cè)證據(jù)的現(xiàn)狀，天文學(xué)家們推測(cè)，中等質(zhì)量黑洞的來(lái)源有三種可能機(jī)制：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的并合或恒星級(jí)質(zhì)量黑洞通過吞噬氣體成長(zhǎng)而形成，宇宙大爆炸過程中形成的原初黑洞，以及經(jīng)星團(tuán)歷練后的大質(zhì)量恒星塌縮而成。對(duì)于第三種可能，科學(xué)家認(rèn)為在星團(tuán)中，很多大質(zhì)量恒星可能持續(xù)損失能量和轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，因而慢慢移動(dòng)到星團(tuán)的中心，它們之間相互碰撞并合形成更大質(zhì)量的恒星，直至形成質(zhì)量在幾百倍至幾千倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，并最終塌縮形成中等質(zhì)量黑洞。

至于超大質(zhì)量黑洞，簡(jiǎn)單的回答便是通過更小質(zhì)量黑洞的碰撞并合，以及更小質(zhì)量的黑洞吞噬氣體塵埃而成。

黑洞吞噬物質(zhì)在宇宙中是常見的。而黑洞并合帶來(lái)成長(zhǎng)，也不難理解。LIGO探測(cè)的五次引力波都對(duì)應(yīng)了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的并合事件，讓更小的黑洞借助并合成長(zhǎng)為更大的黑洞；幾乎在每個(gè)大質(zhì)量星系的中心都存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，宇宙中也不乏星系并合的觀測(cè)證據(jù)，星系并合的后期，便是兩者中心超大質(zhì)量黑洞的并合。

黑洞成長(zhǎng)的時(shí)間危機(jī)

黑洞吞噬周圍氣體是有節(jié)制的。黑洞在吸積吞噬周圍物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)下落釋放的引力能會(huì)轉(zhuǎn)化為輻射，當(dāng)吞食的物質(zhì)累積到一定程度，向外的輻射壓會(huì)阻止物質(zhì)的進(jìn)一步下落。當(dāng)天體作用于一個(gè)粒子上的引力和輻射壓剛好平衡時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界吸積率稱作愛丁頓吸積率。一般情況下，愛丁頓吸積率是黑洞吸積物質(zhì)的最大效率。

觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之后10億年內(nèi)，就存在質(zhì)量為百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這令人疑惑，如果說它是從一個(gè)嬰兒（種子）黑洞長(zhǎng)大的，這個(gè)嬰兒黑洞得多大？嬰兒黑洞如何吞噬周圍氣體塵埃食物，才能長(zhǎng)成實(shí)際觀測(cè)到的大胖子呢？

最自然的一類種子黑洞要尋根于宇宙大爆炸后幾億年左右形成的第一代星系。它們中的大質(zhì)量恒星快速演化到晚期，發(fā)生超新星爆炸，核心殘留的天體便是質(zhì)量約幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。

但如果假設(shè)種子黑洞是這類恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，鑒于質(zhì)量增長(zhǎng)的速度受愛丁頓吸積率限制，那么即使種子黑洞一直以最快速度成長(zhǎng)，質(zhì)量增長(zhǎng)到十億、百億倍太陽(yáng)質(zhì)量所需要的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的年齡。這就帶來(lái)了所謂的黑洞成長(zhǎng)時(shí)間危機(jī)問題。

吃得更快，還是生來(lái)就更胖

為了解決這個(gè)問題，縮短超大質(zhì)量黑洞成長(zhǎng)所需要的時(shí)間，天文學(xué)家們從理論上提出了多種可能方案，其中有三種被廣為接受。

其中一種方案中，科學(xué)家假設(shè)種子黑洞仍然是小質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，但是成長(zhǎng)速度更快，以超過愛丁頓吸積率的速度吃東西。理論研究發(fā)現(xiàn)，要想維持超愛丁頓吸積，需要保證種子黑洞深居足夠致密的氣體中，從而使光子無(wú)法有效地輻射出去。但是試想，種子黑洞所處的第一代星系中，新形成的恒星還不穩(wěn)定，會(huì)吹出劇烈的星風(fēng)；演化到晚期的恒星可能進(jìn)入超新星爆炸階段，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。在如此不太平的環(huán)境中，能否維持那一方致密氣體包裹住種子黑洞，讓它保持超愛丁頓吸積直至成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞，仍然是個(gè)未知數(shù)。

在另一種方案中，科學(xué)家認(rèn)為宇宙早期就存在中等質(zhì)量黑洞，種子黑洞生來(lái)就更胖，而它們?cè)从跉怏w云塊的直接坍縮。這一方案的重點(diǎn)在于，氣體云塊無(wú)法有效冷卻，因而抑制了氣體云的碎裂和后續(xù)的恒星誕生，導(dǎo)致最后直接引力塌縮為中等質(zhì)量黑洞。在真實(shí)的早期宇宙中，具有這種性質(zhì)的氣體云塊確實(shí)可能存在—一團(tuán)主要成分為氫和氦的氣體云，沐浴在紫外光子的海洋中。而針對(duì)黑洞吞噬的氣體供給方面，上海天文臺(tái)沈俊太的研究提供了一種可能，旋渦星系的盤狀結(jié)構(gòu)容易受到自身動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性或者星系間的潮汐作用的影響而形成星系棒；早期星系演化中星系棒能夠驅(qū)使足夠多的氣體流入星系中心，為形成超大質(zhì)量黑洞提供了潛在的原料。

不過也有科學(xué)家認(rèn)為，作為種子黑洞的中等質(zhì)量黑洞，源于經(jīng)星團(tuán)歷練后的大質(zhì)量恒星的塌縮。

為了緩解時(shí)間危機(jī)，后兩種機(jī)制沒有試圖加快種子黑洞通過吞噬氣體來(lái)成長(zhǎng)的速度，而是理論上預(yù)言宇宙早期存在中等質(zhì)量黑洞作為種子黑洞。在上述三種理論中，第二種理論的預(yù)言與一些觀測(cè)結(jié)果相符，因此該理論的受關(guān)注度越來(lái)越高。

關(guān)于宇宙如何在其早期養(yǎng)育出胖子黑洞，還有很多未解之謎，相信觀測(cè)技術(shù)和設(shè)備的提升會(huì)揭開宇宙早期的更多秘密，如詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將能直接觀測(cè)到最早期的星系和黑洞，在種子黑洞的尋找和研究上有所收獲；以激光干涉空間陣列為代表的空間引力波探測(cè)器將有助于限制黑洞并合模型；高精度的數(shù)值模擬也將幫我們理解黑洞的形成與演化。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日?qǐng)?bào)》）