年幼的宇宙 如何养育出大胖子黑洞

黑洞周围形成的引力透镜现象最近，《自然》杂志发表的一篇文章再次为人类探测黑洞创造了新记录。这篇文章宣布在大爆炸后6.9亿年发现了一个超大质量黑洞，这是迄今已知的最早的超大质量黑洞。如果哈勃体积的138亿年的历史被浓缩成100年，那就相当于在宇宙只有5年的时候形成了一个巨大的黑洞。这让人们想知道这个胖黑洞是如何形成的。宇宙中常见的巨型黑洞的命题必须追溯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发现了爱因斯坦方程的第一个精确解，它对应于球对称非旋转物体的重力场的精确解。他发现任何有质量的物体都有一个临界半径——后来称为史瓦西半径。如果一个质量物体塌缩到史瓦西半径，这个物体将在自身重力的作用下继续塌缩到黑洞。在史瓦西半径内，包括光子在内的任何粒子都无法逃逸，这意味着我们看不到它。当然，黑洞不是停留在笔尖的数学解，而是宇宙中常见的怪物。虽然我们不能直接看到黑洞，但我们可以通过它对周围物质的引力影响来判断它的存在，例如，根据周围恒星或气体的运动，根据黑洞对光的强大引力的弯曲效应等等。对引力波信号的探测以另一种方式证明了黑洞的存在。天文学家根据质量将黑洞分为三类:恒星质量的黑洞(质量是太阳质量的几倍到几百倍)、超大质量的黑洞(质量是太阳质量的数百万倍)以及介于恒星和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞。目前，除了中等质量的黑洞，恒星质量的黑洞和超大质量的黑洞都被观测到。人们普遍认为恒星质量黑洞的形成与生活中贪婪吞噬物质的大质量恒星有关。在进化到后期阶段后，核心耗尽了燃料，产生的能量无法抵抗自身物质的内在吸引力。它会崩溃，并以超新星爆炸结束生命。当剩余的核心质量大于太阳质量的3.2倍时，它将在重力作用下继续坍缩，形成一个黑洞。面对中等质量黑洞观测证据的缺乏，天文学家推测中等质量黑洞的起源有三种可能的机制:恒星质量黑洞的合并或通过吞噬气体的增长形成恒星质量黑洞，大爆炸期间形成的原始黑洞，以及星团经历的大质量恒星的崩溃。对于第三种可能性，科学家认为星团中的许多大质量恒星可能会继续失去能量和旋转能力，从而缓慢地向星团中心移动。它们相互碰撞，并结合形成质量更大的恒星，直到它们形成质量为太阳数百到数千倍的恒星，并最终坍缩形成中等质量的黑洞。至于超大质量黑洞，简单的答案是通过较小黑洞的碰撞和合并，以及较小黑洞对气体和尘埃的吞噬。黑洞吞噬宇宙中的物质是很常见的。不难理解黑洞结合在一起带来了增长。LIGO探测到的五个引力波对应于恒星质量黑洞的合并事件，允许较小的黑洞使用并合成为较大的黑洞。几乎每一个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞，而且也不乏星系在宇宙中融合的观测证据。星系合并的后期是两个星系中心超大质量黑洞的合并。黑洞成长的时间危机黑洞吞噬周围气体受到抑制。当黑洞增大并吞噬周围的物质时，下落物质释放的重力能量将转化为辐射。当吞咽的物质积累到一定程度时，向外辐射的压力会阻止物质进一步下落。当天体对粒子施加的重力和辐射压力刚刚平衡时，相应的临界吸积率称为爱丁顿吸积率。一般来说，爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大效率。观察发现，在早期宇宙中，例如，在大爆炸后10亿年内，存在质量为太阳100亿倍的超大质量黑洞。这令人费解。如果它是从一个婴儿(种子)黑洞长大的，那么婴儿黑洞有多大？一个婴儿黑洞如何吞下周围的气体和尘埃食物，成长为实际观察到的胖子？最自然的种子黑洞源于大爆炸后数亿年形成的第一代星系。其中的大质量恒星迅速演化到晚期，并发生了超新星爆炸。核心中剩余的天体是质量是太阳数百倍的黑洞。然而，如果种子黑洞被假设为这样一个恒星质量黑洞，假设质量增长的速度受到爱丁顿吸积率的限制，即使种子黑洞一直在以最快的速度增长，质量增长到太阳质量的10亿或100亿倍所需的时间远远超过它的年龄。这带来了所谓的黑洞增长时间危机。为了解决这个问题，缩短超大质量黑洞成长所需的时间，天文学家们从理论上提出了各种可能的解决方案，其中三种被广泛接受。在一个理论中，科学家假设种子黑洞仍然是一个小质量的恒星黑洞，但是它生长得更快，吞噬的速度超过了爱丁顿的吸积速度。理论研究发现，为了维持超爱丁顿吸积，有必要确保种子黑洞在稠密气体中足够深，这样光子就不能有效地辐射出去。但是想象一下，在种子黑洞所在的第一代星系中，新形成的恒星仍然不稳定，会吹出猛烈的恒星风。进化到后期的恒星可能会进入超新星爆炸阶段，产生强烈的冲击波。在这样一个不稳定的环境中，仍然不知道稠密的气体是否能被维持以包裹住黑洞种子，从而维持超爱丁顿吸积，直到它成长为一个超大质量的黑洞。在另一种情况下，科学家认为早期宇宙中存在中等质量的黑洞，而种子黑洞出生时更胖，它们起源于气体云的直接坍缩。该方案的关键点在于，气体云不能被有效冷却，从而抑制了气体云的碎裂和随后的恒星诞生，导致最终的直接重力坍缩成中等质量的黑洞。在真实的早期宇宙中，这种性质的气体云确实存在——一种主要由沐浴在紫外线光子海洋中的氢和氦组成的气体云。至于黑洞所消耗的气体供应，上海天文台的沈俊泰最近的研究提供了一种可能性，即螺旋星系的盘状结构很容易受到其自身的动态不稳定性或星系间形成星系棒的潮汐作用的影响。在星系的早期演化中，星系棒可以将足够的气体驱入星系中心，为超大质量黑洞的形成提供潜在的原材料。然而，一些科学家认为，中等质量黑洞是一个种子黑洞，起源于星团经历的大质量恒星的坍缩。为了缓解时间危机，后两种机制并没有试图通过消耗气体来加速种子黑洞的成长，而是从理论上预测了在早期宇宙中作为种子黑洞的中等质量黑洞的存在。在上述三种理论中，第二种理论的预测与一些观测结果是一致的，因此该理论越来越受到重视。关于宇宙早期是如何孕育胖黑洞的，仍有许多未解之谜。我相信观测技术和设备的改进将会揭开早期宇宙的更多秘密。例如，詹姆斯·韦伯望远镜将能够直接观察最早的星系和黑洞，从而在种子黑洞的搜索和研究中取得一些进展。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合并模型。高精度的数值模拟也将有助于我们理解黑洞的形成和演化。(作者左，中国科学院上海天文台副研究员)