“种子”黑洞真的存在吗？

一种观点认为，超大质量黑洞相当于几十万到几十亿个太阳质量，是从从未被发现的“中等质量黑洞”发展而来的。

一个最原始的超大质量黑洞(*黑洞)的概念图已经在一个年轻的富含恒星的星系中心被创造出来。

写作|伊丽莎白·兰道

翻译|王林涛

校订|罗广珍

在广阔的宇宙花园里，最重的黑洞也是由一颗小“种子”长成的。这些种子黑洞的大小和质量不断增长，直到它们通过吞噬气体、尘埃或与其他致密物体融合，形成一个星系的中心，比如我们居住的银河系。但是与真正的植物不同，这些巨大黑洞的种子是黑洞，但是到目前为止还没有人发现这些“种子”黑洞。

有一种观点认为，相当于几十万到几十亿太阳质量的超大质量黑洞是从从未被发现的“中等质量黑洞”发展而来的。这些中等质量的黑洞相当于100~10000个太阳的质量总和。

美国国家航空航天局和其他天文台的科学家正在合作使用强大的望远镜来追踪符合这一质量标准的奇怪天体。他们发现了几十个可能的目标物体，并试图确认它们是否是黑洞。但这也提出了一个新问题:这些中等质量的黑洞是如何形成的？

美国宇航局核光谱望远镜阵列项目首席研究员、加州理工学院物理学教授菲奥娜·哈里森说:“中等质量的黑洞非常迷人。人类愿意花大量时间寻找它的原因是它能揭示早期宇宙的发展过程。从中，我们可以了解宇宙开始时的黑洞群，或者更新我们对黑洞形成机制的理解。”

黑洞起源之谜

黑洞是宇宙中密度极高的物体，任何光线都无法逃离。当物质落入黑洞时，就无法逃脱。黑洞消耗的物质越多，质量和体积就越大。最小的黑洞大约是太阳质量的1到100倍。它们是由恒星的剧烈爆炸形成的，这一过程也被称为超新星爆炸。

超大质量黑洞在大型星系中充当锚。例如，太阳和银河系中的所有恒星都围绕人马座A *旋转，这是一个质量约为410万个太阳的黑洞。墨西耶87(M87)星系的核心是一个大得多的黑洞，约有65亿太阳质量。2019年4月10日，事件地平线望远镜(EHT)发布了第一张超大质量黑洞M87的黑洞照片，首次展示了黑洞及其“影子”。“阴影”是由事件视界引起的——超过这个视界，物质就不能返回。

在超大质量黑洞周围，通常有一种叫做“吸积盘”的盘状物质，它是由极其高温的高能粒子组成的。他们离视界越近，吸积盘就变得越亮。这种现象也被称为“活动星系核”。

形成黑洞所需的物质密度难以想象。要创造一个质量是太阳50倍的黑洞，你必须把相当于50个太阳的东西放入一个不到300公里的球里。然而，就M87的中心而言，65亿个太阳需要被压缩成一个比冥王星的轨道稍宽的球体。在这两种情况下，由于物质的密度非常高，原始物质必须坍缩成一个奇点，从而导致时空撕裂。

黑洞起源之谜的关键在于，黑洞的成长速度受到物理上的限制。即使对于位于星系中心的超大质量黑洞，它们也不会无休止地吞噬，因为一定量的物质会被加速的高温粒子发出的高能辐射推出，因为它靠近视界。例如，如果只有周围的物质被消耗掉，一个低质量黑洞的质量可能在3000万年内只增加一倍。

剑桥史密森天体物理天文台和莫斯科州立大学的天体物理学家伊戈尔·奇林加里安说:“如果黑洞从50个太阳质量开始增长，它们就不能在10亿年内扩展到10亿个太阳质量。”然而，正如我们所知，超大质量黑洞在宇宙形成后不到10亿年就存在了。

如何创造黑洞

在宇宙的早期，中等质量大小的黑洞“种子”可能是由巨大致密气体云的坍塌或超新星爆炸形成的。宇宙中最早爆炸的恒星外层是纯氢和氦。重元素集中在核心。这是制造更大黑洞的配方。更大的黑洞不能由爆炸的“新”恒星形成，这些恒星更有可能在恒星风中失去更多质量，因为它们将重元素融入外层。

美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的天体物理学家托德·斯特罗迈尔说:“如果在早期宇宙中形成了100个太阳质量的黑洞，一些黑洞会合并形成一系列不同质量的黑洞。其中一些应该还在这个中等质量黑洞的范围内。如果它们形成了，它们在哪里？”

科学家在LIGO、加州理工学院和麻省理工学院的合作研究项目中获得了一条线索:中等质量的黑洞可能仍然存在。LIGO探测器与意大利的处女座探测器合作，通过探测由许多不同黑洞合并而成的引力波波纹来寻找中等质量的黑洞。

2016年，LIGO宣布了过去半个世纪最重要的科学发现之一:基于两个黑洞融合后多个探测器收集的信号，人类首次探测到引力波。这让科学家们感到惊讶。这两个黑洞的质量分别是太阳的29倍和36倍。虽然理论上它们不是中等质量的黑洞，但它们足够大，足以吸引我们的注意。因此，要么所有中等质量的黑洞已经合并，要么我们的技术不足以定位它们。

他们在哪里？

因为黑洞本身不发光，所以很难找到它们。但是科学家可以通过精密的望远镜和其他仪器寻找特殊信号。例如，物质流入黑洞的速度是不均匀的。物质浓度的吞噬作用将导致其周围环境光输出的变化。这种变化在较小的黑洞中更加明显。

中等质量黑洞最有希望的候选者是HLX-1(超发光X射线源1，超亮X射线源1)，它的质量是太阳的20，000倍，其能量输出比类太阳恒星高得多。2009年，澳大利亚天文学家肖恩·法雷尔用XMM- Newton X射线太空望远镜发现了它。2012年，美国宇航局的哈勃太空望远镜和斯威夫特太空望远镜发现了一群年轻的蓝色恒星围绕着天体运行。HLX-1可能是被ESO243-49吞没的矮星系的中心。哈里森说，许多科学家认为HLX-1是一个被证实的中等质量黑洞。

哈里森说:“它发出的X射线的颜色和运动方式非常类似于黑洞。包括我的团队在内的许多天文学家都在寻找看起来像HLX-1的物体，但迄今为止没有一个与它一致。”

天文学家将可能是中等质量黑洞的物体称为超亮X射线源(ULX)。然而，美国国家航空航天局的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)和钱德拉X射线天文台揭示了许多ULX物体的真实性质:它们不是先前设想的潜在黑洞。相反，它们是脉冲星，有非常密集的恒星碎片，看起来像是释放脉冲的灯塔。这个发现确实震惊了期待ULX的科学家。

最近，科学家们研究了一组更有可能是中等质量黑洞的天体。2018年，奇林加里安和他的同事在重新分析了斯隆数字天空测量(SDSS)的光学数据，并将预测结果与钱德拉X射线天文台和XMM- Newton X射线空间望远镜的X射线数据初步匹配后，描述了10个候选恒星样本。

他们现在使用智利和亚利桑那州的地面望远镜进行跟踪。2018年，西班牙空间科学研究所的Mar Mezcua领导了一项独立研究。利用钱德拉x射线天文台的数据，发现了40个生长在矮星系中的黑洞，它们的质量也可能在这个特殊的中等质量范围内。但是梅斯库和他的合作者认为，这些黑洞最初是在巨大星云的坍缩中形成的，而不是来自恒星爆炸。

下一步是什么？

理论上，较小的恒星系统(矮星系)可以容纳比大星系中心的黑洞更小的黑洞。因此，科学家也在银河系的边缘，寻找球状星团和其他星系的球状星团。

斯特罗迈尔说:“黑洞也可能存在于这样的星系中，但是如果它们不吸收大量物质，我们就很难看到它们。”这些中等质量的黑洞急切地等待着詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的发射，它将带回银河系诞生的第一缕曙光。韦伯太空望远镜将帮助天文学家发现是星系还是它们的中心黑洞首先出现，以及黑洞是如何融合在一起的。结合X射线观测，韦伯太空望远镜的红外数据对我们识别一些最古老的黑洞候选者非常重要。

今年7月，俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)在7月发射的另一种探测设备被称为光谱X-伽马探测器，这是一种用X射线扫描宇宙的航天器，搭载由美国航天局马歇尔航天飞行中心(美国航天局-MSFC)开发和制造的反射镜仪器。此外，来自LIGO-处女座合作的引力波信息和欧洲航天局计划的激光干涉空间天线(LISA)任务都将有助于这次搜索任务。

除了目前的仪器和技术，这些新仪器和技术将帮助天文学家继续在宇宙的大花园中寻找黑洞种子和像我们这样的星系。

原始链接:

https://phys . org/news/2019-09-black-hole-seeds-cosmic-garden . html