《创新时代》年幼的宇宙如何养育出大胖子黑洞

发表时间:2018/7/5   来源:创新时代   作者:
[导读] 黑洞的提出,还要回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求出了爱因斯坦方程的第一个严格解,对应的是球对称、不自转物体重力场的精确解。他发现,任何具有质量的物体都存在一个临界半径—后被称作史瓦西半径。如果某质量的物体塌缩至史瓦西半径,该物体将在自身引力作用下继续塌缩至黑洞。在史瓦西半径内,包括光子在内的任何粒子都无法逃离,意味着我们无法看到它。

左文文

近期,《自然》刊发的一篇文章再次刷新了人类探测黑洞的记录。该文章宣布发现了宇宙大爆炸之后6.9亿年的超大质量黑洞,是迄今所知宇宙最早期的超大质量黑洞。

如果将可观测宇宙历史138亿年浓缩为100年,那就相当于在宇宙只有5岁时,养育了一个大胖子黑洞。这不禁让人产生这样的疑问:这个胖子黑洞是如何养成的?

宇宙中常见的怪兽

黑洞的提出,还要回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求出了爱因斯坦方程的第一个严格解,对应的是球对称、不自转物体重力场的精确解。他发现,任何具有质量的物体都存在一个临界半径—后被称作史瓦西半径。如果某质量的物体塌缩至史瓦西半径,该物体将在自身引力作用下继续塌缩至黑洞。在史瓦西半径内,包括光子在内的任何粒子都无法逃离,意味着我们无法看到它。

当然,黑洞不是停留在笔尖的数学解,而是宇宙中常见的怪兽。尽管我们不能直接看到黑洞,但可以通过它们对周围物质的引力影响,如根据周围恒星或气体的运动,或根据黑洞的强引力对光线的弯曲效应等来判断它的存在。引力波信号的探测,以另一种方式证明了黑洞的存在。

天文学家们根据质量的不同将黑洞分类成:恒星级质量黑洞(质量从几倍到几百倍太阳质量)、超大质量黑洞(质量大于几百万倍太阳质量)和介于恒星级和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞三大类。目前,恒星级质量黑洞和超大质量黑洞都被观测到,唯独中等质量黑洞的观测成果甚少。

贪婪吞噬物质的一生

一般认为,恒星级质量黑洞的形成与大质量恒星有关。它演化到晚期后,核心的燃料用尽,所产生的能量无法抵挡自身物质向内的引力,会发生塌缩,并以超新星爆炸结束自己的生命。当剩余的核心质量大于3.2倍太阳质量时,将会在引力作用下继续塌缩形成黑洞。

面对中等质量黑洞缺乏观测证据的现状,天文学家们推测,中等质量黑洞的来源有三种可能机制:恒星级质量黑洞的并合或恒星级质量黑洞通过吞噬气体成长而形成,宇宙大爆炸过程中形成的原初黑洞,以及经星团历练后的大质量恒星塌缩而成。


对于第三种可能,科学家认为在星团中,很多大质量恒星可能持续损失能量和转动的能力,因而慢慢移动到星团的中心,它们之间相互碰撞并合形成更大质量的恒星,直至形成质量在几百倍至几千倍太阳质量的恒星,并最终塌缩形成中等质量黑洞。

至于超大质量黑洞,简单的回答便是通过更小质量黑洞的碰撞并合,以及更小质量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,也不难理解。LIGO探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件,让更小的黑洞借助并合成长为更大的黑洞;几乎在每个大质量星系的中心都存在一个超大质量黑洞,宇宙中也不乏星系并合的观测证据,星系并合的后期,便是两者中心超大质量黑洞的并合。

黑洞成长的时间危机

黑洞吞噬周围气体是有节制的。黑洞在吸积吞噬周围物质时,物质下落释放的引力能会转化为辐射,当吞食的物质累积到一定程度,向外的辐射压会阻止物质的进一步下落。当天体作用于一个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。一般情况下,爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大效率。

观测发现,在宇宙早期,比如宇宙大爆炸之后10亿年内,就存在质量为百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这令人疑惑,如果说它是从一个婴儿(种子)黑洞长大的,这个婴儿黑洞得多大?婴儿黑洞如何吞噬周围气体尘埃食物,才能长成实际观测到的大胖子呢?

最自然的一类种子黑洞要寻根于宇宙大爆炸后几亿年左右形成的第一代星系。它们中的大质量恒星快速演化到晚期,发生超新星爆炸,核心残留的天体便是质量约几百倍太阳质量的黑洞。

但如果假设种子黑洞是这类恒星级质量黑洞,鉴于质量增长的速度受爱丁顿吸积率限制,那么即使种子黑洞一直以最快速度成长,质量增长到十亿、百亿倍太阳质量所需要的时间也远远超过它的年龄。这就带来了所谓的黑洞成长时间危机问题。

吃得更快,还是生来就更胖

……

(本文转载于网络)

(文章原文来源:内容详情请看《创新时代》2018年4期

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