黑洞在其四周造成的引力透镜景象

黑洞从四周天体吸积物质的构想图

　　近日，《当然》刊发的一篇文章再一次刷新了人类探测黑洞的纪录。该文章宣告发觉了宇宙大爆炸以后6.9亿年的超大品质黑洞，是迄今所知宇宙最早期的超大品质黑洞。

　　假如将可观测宇宙历史138亿年浓缩为100年，那就差不多于在宇宙唯有5岁时，养育了一种大胖子黑洞。这不禁使人疑问，这种胖子黑洞是如何养成的？

　　宇宙中常见的怪兽

　　黑洞的提议，还要回到爱因斯坦的广义相对论。在广义相对论提议的那一年，德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦方程的第一种严刻解，对应的是球对称、不自转物体重力场的精准解。他发觉，全部具备品质的物体都存留一种临界半径——后被称作史瓦西半径。假如某品质的物体塌缩至史瓦西半径，该物体将在本身引力效用下接着塌缩至黑洞。在史瓦西半径内，包括光子在内的全部粒子都没有办法逃离，意指着咱们没有办法见到它。

　　自然，黑洞非是停留在笔尖的数学解，却是宇宙中常见的怪兽。虽然咱们不行干脆见到黑洞，但可行经过他们对四周物质的引力作用来判断它的存留，如依据四周恒星或气体的活动、依据黑洞的强引力对光线的弯曲效应等。引力波信号的探测，以另一个形式声明了黑洞的存留。

　　天文学家们依据品质的不同将黑洞分类成：恒星级品质黑洞（品质从几倍到几百倍太阳品质）、超大品质黑洞（品质大于几百万倍太阳品质）和介于恒星级和超大品质黑洞之中的中庸品质黑洞三大类。日前，恒星级品质黑洞和超大品质黑洞都被观测到，唯独中庸品质黑洞的观测效果甚少。

　　贪婪吞噬物质的一生

　　通常以为，恒星级品质黑洞的造成与大品质恒星相关。它演化到晚期后，焦点的能源用尽，所发生的能量没有办法抵挡本身物质向内的引力，会产生塌缩，并以超新星爆炸完毕本人的寿命。当剩余的焦点品质大于3.2倍太阳品质时，将来会在引力效用下接着塌缩造成黑洞。

　　面临中庸品质黑洞缺乏观测证据的现状，天文学家们推测，中庸品质黑洞的来自有三种可能体制：恒星级品质黑洞的并合或恒星级品质黑洞经过吞噬气体成长而造成，宇宙大爆炸进程中造成的原初黑洞，以及经星团历练后的大品质恒星塌缩而成。关于第三种可能，科学家以为在星团中，好多大品质恒星可能持续损耗能量和转动的能力，于是渐渐搬动到星团的中心，他们之中相互磕碰并合造成很大品质的恒星，直至造成品质在几百倍至几千倍太阳品质的恒星，并终归塌缩造成中庸品质黑洞。

　　至于超大品质黑洞，容易的回答即是经过更小品质黑洞的磕碰并合，以及更小品质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，还不难了解。LIGO探测的五次引力波都对应了恒星级品质黑洞的并合事故，让更小的黑洞借助并合成长为很大的黑洞；差不多在每个大品质星系的中心都存留一种超大品质黑洞，宇宙中还不乏星系并合的观测证据，星系并合的后期，即是两者中心超大品质黑洞的并合。

　　黑洞成长的时间危机

　　黑洞吞噬四周气体是有限制的。黑洞在吸积吞噬四周物质时，物质下落解放的引力能会转化为辐射，当吞食的物质累积到必定水平，向外的辐射压会阻止物质的进一步下落。当天体效用于一种粒子上的引力和辐射压刚好平衡时，对应的临界吸积率称作爱丁顿吸积率。通常概况下，爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的第一大效能。

　　观测发觉，在宇宙早期，例如宇宙大爆炸以后10亿年内，就存留品质为百亿倍太阳品质的超大品质黑洞。这令人疑虑，假如说它是从一种婴儿（种子）黑洞长大的，这种婴儿黑洞得多大？婴儿黑洞如何吞噬四周气体尘埃食物，才能长成实质观测到的大胖子呢？

　　最当然的一类种子黑洞要寻根于宇宙大爆炸后几亿年左右造成的第一代星系。他们中的大品质恒星迅速演化到晚期，产生超新星爆炸，焦点残留的天体即是品质约几百倍太阳品质的黑洞。

　　但假如假设种子黑洞是这种恒星级品质黑洞，基于品质增添的速度受爱丁顿吸积率节制，那末即便种子黑洞一直以最迅速度成长，品质增添到十亿、百亿倍太阳品质所须要的时间也远远超越它的年龄。这就带来了所谓的黑洞成长时间危机难题。

　　吃得更快，仍是生下来就更胖

　　为理解决这种难题，缩小超大品质黑洞成长所须要的时间，天文学家们从理论上提议了多个可能方案，此中有三种广为接纳。

　　此中一个理论中，科学家假设种子黑洞依然是小品质的恒星级黑洞，可是成长速度更快，以超越爱丁顿吸积率的速度吃东西。理论探讨发觉，要想保持超爱丁顿吸积，须要确保种子黑洞深居充足致密的气体中，从而光子没有办法有用地辐射出来。可是试想，种子黑洞所处的第一代星系中，新造成的恒星也不稳固，会吹出激烈的星风；演化到晚期的恒星可能映入超新星爆炸阶段，发生强烈的冲撞波。在如许不太平的环境中，是否保持那一方致密气体包含住种子黑洞，让它能维持超爱丁顿吸积直至成长为超大品质黑洞，依然是个未知。

　　在另一个方案中，科学家以为宇宙早期就存留中庸品质黑洞，种子黑洞生下来就更胖，而他们由于气体云块的干脆坍缩。这一方案的要点在于，气体云块没有办法有用冷却，于是抑制了气体云的碎裂和延续的恒星诞生，导致最终干脆引力塌缩为中庸品质黑洞。在真正的早期宇宙中，具备这类性质的气体云块切实可能存留——一团最重要的成分为氢和氦的气体云，沐浴在紫外光子的海洋中。而针对黑洞吞噬的气体供应方面，近日上海天文台沈俊太的探讨提供了一个可能，旋涡星系的盘状构造简单遭到本身能源学不固定性或许星系间的潮汐效用的作用而造成星系棒；早期星系演化中星系棒能够驱使充足多的气体流入星系中心，为造成超大品质黑洞提供了潜在的原料。

　　只是也有科学家以为，作为种子黑洞的中庸品质黑洞，由于经星团历练后的大品质恒星的塌缩。

　　为了缓和时间危机，后两种体制无试图加速种子黑洞经过吞噬气体来成长的速度，却是理论上预言宇宙早期存留中庸品质黑洞作为种子黑洞。在上述三种理论中，第二种理论的预言与少许观测结果相符，因而该理论的受关心度越来越高。

　　对于宇宙如何在其早期养育出胖子黑洞，另有好多未解之谜,信任观测技艺和设施的提高会揭开宇宙早期的更多秘密，如詹姆斯·韦伯望远镜将能干脆观测到最早期的星系和黑洞，在种子黑洞的寻觅和探讨上有所获利；以激光干涉体积阵列为代表的体积引力波探测器将有助于节制黑洞并合模子；高精度的数值模拟也将帮咱们了解黑洞的造成与演化。（左文文 中科院上海天文台副探讨员）

来自：科技日报

编辑：曾映雪