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超出科学认知,为何黑洞质量能够如此之大?

发布时间:2019-03-09 13:23:43  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:77

    超出科学认知,为何黑洞质量能够如此之大?
      宇宙初期超大质量黑洞的存在对天文学家来说从未有多大意义。自2006年以来的观测表明,宇宙形成不到10亿年时,拥有10亿个太阳质量巨大怪物已经就位--对他们来说,用常规的方法形成还为时过早。
      耶鲁大学的理论天体物理学家Priyamvad Natarajan说,这些古老的巨大物体中有一两颗可能被视为怪物。但到目前为止,天文学家已经发现了100多个在宇宙诞生9.5亿年前就存在的超大质量黑洞。“他们太多了,现在不可能是怪胎了。”她说,“你必须有一个自然的解释,这些事情是如何发生的。”
      通常的假设是,这些黑洞要么诞生得出乎意料的大,要么成长得很快。但最近的发现甚至挑战了这些理论,并可能迫使天文学家重新思考这些黑洞是如何生长的。
      在现代宇宙中,黑洞通常是由大质量恒星形成的,它们在自己的引力下在生命的尽头崩溃。它们通常开始时小于100个太阳质量,并且可以通过与另一个黑洞合并而生长,或从环境中吸收气体。
      这种气体通常组织成一个盘片,螺旋进入黑洞,摩擦将圆盘加热到白热的温度,在数十亿光年内产生一种明亮的辉光。这些以气体为食的黑洞被称为类星体。类星体吃得越快,它的圆盘就越亮。
      但是气体的辉光也限制了黑洞的生长:明亮的圆盘光子把新鲜物质赶走。这就为给定质量的黑洞的成长速度设定了物理限制。天文学家用一个叫做爱丁顿极限的术语来表达黑洞进食的速度,测量黑洞的实际亮度与它如果吃得越快就会有多大的亮度。
    超出科学认知,为何黑洞质量能够如此之大?
      挑剔的进食者
      天文学家在早期宇宙中只测量了大约20个超大质量黑洞的爱丁顿极限。大部分似乎都在极限之下进食,与当今宇宙中的类星体相比,它们的进食速度只有现在的十分之一。这些暴烈的进食率似乎仍然与黑洞的超大质量相抵触:一个100太阳质量的黑洞在这个极限范围内累积起来,应该需要大约八亿年才能达到10亿太阳质量,甚至考虑到随着它的增长,它会吃得更快。这八亿年不包括最初形成黑洞种子所花的时间。
      但是韩国首尔国立大学的物理学家Myungshin Im和他的同事们担心,之前的观察结果错过了一些挑剔的进食者,因为快速食用者更明亮,更易于发现。如果一些早期的大质量黑洞是懒惰的进食者,那么它们的超大尺寸就会变得更加令人困惑--而且可能会排除一些关于它们是如何成长的理论。
      因此,研究小组在2015年9月智利拉斯坎帕纳斯天文台的观测活动中,刻意寻找了更暗的遥远类星体。
      研究人员发现,IMSJ 204+0112是一个10亿个太阳质量的黑洞,以十分之一的速度限制进食,并且从宇宙大约9.4亿岁时就开始了。但是,研究小组在2月9日说,在宇宙诞生80亿岁之前,黑洞应该不会完全成熟。
      “我们第一次证明了在早期宇宙中存在着低爱丁顿极限的类星体,”IM说。
      IMSJ 204+0112是迄今发现的最迟钝的类星体,但它并不是唯一的。德国马克斯普朗克天文研究所的物理学家Chiara Mazzucchelli和他的同事们在去年11月的“天体物理杂志”上报道了宇宙不到八亿岁时存在的11个杂乱无章的超大质量黑洞。
      研究小组称,这些类星体的平均重量约为16.2亿个太阳质量,但进食速度限制在40%左右。奇怪的是,这个群体中最大的黑洞HSC J1205-0000的摄食率最低:黑洞的质量有47亿个太阳质量,但它的摄食量仅为极限的6%。
      在早期的宇宙中,发现超大质量的黑洞有着贪婪的胃口是很奇怪的,但是这些挑剔的进食者更难以解释。
      天文学家们希望在更早的时间里窥视将有助于找到“种子”黑洞,这些黑洞可能会成长为巨型黑洞。如果一些黑洞一开始就很大,从1万到100万个太阳质量,它们可能会变得更大,要么通过相互合并,要么在爱丁顿极限处增大。
      哈佛大学的天体物理学家阿维·勒布说:“如果你从这么大的种子开始,你就有了一个快速的开始。那么,你就不需要那么多时间来成长到十亿个太阳质量了。”
      但是,理论学家们15年来一直在试图弄清楚这样巨大的黑洞最初是如何形成的。一个想法是,巨大的气体云或超大质量恒星直接塌陷成一个巨大的黑洞。
      超大质量种子
      最近的研究表明,事情不会那么简单。智利康塞普西翁大学的物理学家Dominik Schleicher说,理论研究表明,很难阻止这些气体云碎裂成一团小恒星,而不是坍缩成一颗大恒星。
    超出科学认知,为何黑洞质量能够如此之大?
      在2018年5月的皇家天文学会月报中, Schleicher和他的同事们指出,这些星团也能产生巨大的黑洞种子,因为新形成的恒星会在星团中释放出气体。这样的恒星可能膨胀到太阳半径的100到1000倍。它们膨胀的大小和彼此之间的紧密距离将使这些恒星发生碰撞,引发多米诺效应,最终将星团中的所有恒星聚集成一颗质量为太阳质量10000倍的超大质量恒星。那颗超大质量的恒星可能会崩溃,形成一个质量相对较大的种子黑洞。
      另一种可能是早期的超大质量黑洞只是打破了爱丁顿极限。它们可能经历了比想象中可能更快的进食期,在平静下来之前,它们已经增长到了几乎超大的比例。
      勒布指出,在当今的宇宙中,有些情况下黑洞的进食速度超过了爱丁顿极限,比如当黑洞撕开并吞噬一颗恒星时。也有一些情况下,辐射可以被困在黑洞表面附近,防止它把物质推开。“在这种情况下,你可以给黑洞提供你想要的速度。”勒布说。
      或者,Natarajan和他的同事们认为,答案可能是两者兼而有之:天生大的黑洞变得更大更快。Natarajan说:“越来越多的证据表明,我们需要考虑的不仅仅是一种方式。”
      在2017年12月“天体物理杂志快报”上的一项研究中,他们进行了计算机模拟,表明某些环境可以促进黑洞的生长,从而允许黑洞消耗持续的气体流。
      然而,只有质量至少是太阳质量10000倍的黑洞,才能在10亿年内成长为10亿个太阳质量。但是最巨大的种子更有可能是在一个富含气体的环境中诞生的。
    超出科学认知,为何黑洞质量能够如此之大?
      Natarajan说:“周围的环境和这些黑洞的诞生条件实际上使它们处于快速增长或增长缓慢的轨道上。巨大的黑洞种子是那些赢得了出生彩票并获得了人生最好开端的种子。”
      最终,如果天文学家希望找到超大质量的种子,天文学家们将需要更及时地观察它们。詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021发射,在大爆炸后的四亿或五亿年间,它应该能够探测到类星体和恒星。未来的引力波观测台名为Lisa,其目标是探测宇宙历史上的超大质量黑洞。
      Natarajan说:“区分这些模式的唯一方法是回到过去。”

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