宇宙大爆炸后不久的超大质量黑洞是如何产生的？

据国外媒体报道，超大质量黑洞的大小是太阳的几十亿倍，而最近的一项研究指出，超大质量黑洞“仅”在8亿年前就存在于宇宙中，宇宙有140亿年历史。这怎么可能？根据天体物理学家的说法，在如此短的时间内形成这些宇宙“怪物”确实是一个令人烦恼的问题。毫无疑问，我们目前对这些天体的了解仍然非常有限。

一篇新论文为这个棘手的问题提供了一个可能的解释。使用一个初始模型，这项研究提出在超大质量黑洞发展的初始阶段有一个非常快速的形成过程，科学家以前认为这个过程相对缓慢。因此，研究结果从数学上证明了年轻宇宙中存在超大质量黑洞的可能性，并使它们发展所需的时间与宇宙的年龄限制相一致。也许在不久的将来，这一理论可以通过对引力波探测器(如爱因斯坦望远镜(et)和激光干涉空间天线(LISA))的观测得到验证，在某些基本方面也可以通过目前的“先进激光干涉引力波天文台/处女座”系统得到验证。

一个生长在星系中心的宇宙怪物。

研究人员的分析始于一个众所周知的观察证据:超大质量黑洞的增长发生在星系的中心区域。今天，椭圆星系的前身内部有非常高的气体含量，恒星的形成非常强烈。最大的恒星寿命很短，很快就会演化成质量相当于几十个太阳的恒星黑洞。它们非常小，但许多都是在这些星系中形成的。这些黑洞周围的致密气体具有非常强的动态摩擦效应，并起着决定性的作用，导致它们迅速向星系中心迁移。大多数到达中心区域的黑洞融合在一起，创造出超大质量黑洞的“种子”。

根据经典理论，一个超大质量黑洞生长在星系的中心。它捕获周围的物质，主要是气体，使其不断“生长”，最终以与其质量成比例的节奏吞噬它。因此，在发展的初始阶段，当黑洞的质量很小时，它的增长非常缓慢。根据计算，需要很长时间才能达到观测到的太阳质量的几十亿倍，甚至比年轻的宇宙还要古老。然而，这项新研究的结果显示，超大质量黑洞的成长速度可能比之前想象的要快得多。

黑洞的疯狂“冲刺”

数值计算表明，恒星黑洞的动态迁移和融合过程可以使超大质量黑洞的种子在5000万至1亿年内达到太阳质量的1万至10万倍。从这个角度来看，中心黑洞的增长将直接积累气体，如标准理论所设想的那样，因此变得非常快，因为成功吸引和吸收的气体量将非常大，并将在提议的过程中占主导地位。然而，正如我们的机制所设想的那样，正是从如此巨大的“种子”中，超大质量黑洞的增长得以加速，并在年轻的宇宙中形成。简而言之，根据这个理论，我们可以说超大质量黑洞在大爆炸后的8亿年里可能已经遍布了整个宇宙。

观察超大质量黑洞的“种子”

除了解释模型并证明其有效性外，本文还提出了一种测试方法。研究人员解释道:“星系中心大量恒星黑洞和超大质量黑洞种子的融合将产生引力波。我们希望使用当前和未来的探测器来观察和理解它们。”研究人员特别关注超大质量黑洞在初始阶段发射的引力波，当时星系中心的黑洞种子仍然很小。目前的探测器，如先进的Virgo处女座系统，可能会识别这些引力波，未来的爱因斯坦望远镜将会完全描述这些引力波。未来的LISA探测器将于2034年左右发射到太空，这将有助于研究超大质量黑洞的后续发展阶段。通过这些观察，“我们提出的过程可以被未来的引力波探测器在不同阶段以互补的方式验证。”

这项研究显示了研究人员是如何一步步接近引力波和多信使天文学的新领域的。特别是，主要目标将是发展理论模型。正如在这种情况下设计的那样，利用来自当前和未来引力波实验的信息，它有望为天体物理学、宇宙学和基础物理学中尚未解决的问题提供解决方案。