宇宙才8亿岁的时候，就已经存在超大质量黑洞，这怎么可能？

luly靓

黑洞的质量可以比太阳大几十亿倍，但正如观察发现的那样，超大质量黑洞，怎么可能在现在138.2亿岁宇宙“刚刚”8亿岁的时候就已经存在了？对于天体物理学家来说，在如此短的时间内形成这些宇宙怪兽黑洞，确实是一个令人头疼的科学问题，这对目前对黑洞这些天体演化的认识提出了重要问题。


国际高级研究学院博士生Lumen Boco和导师Andrea Lapi现在在《天体物理学》期刊上发表了一新项研究，为这个棘手的问题提供了可能的解释。多亏了来自的里雅斯特科学家建立的原始模型，这项研究提出了一个在超大质量黑洞演化的初始阶段，而且非常快的形成过程，而到目前为止，这些过程被认为是较慢的。


研究结果从数学上证明了超大质量黑洞在年轻宇宙中存在是可能的，研究结果调和了黑洞“生长”过程中所需的时间和宇宙年龄的限制。未来的引力波探测器（爱因斯坦望远镜和丽莎），可以为这一理论得到充分的验证，但也可以用目前先进的LIGO/Virgo引力波天文台在几个基本方面进行测试。科学家们从一个众所周知的观测证据开始研究：超大质量黑洞的增长发生在星系中心区域。
星系中心的宇宙怪兽
这些星系是当前椭圆星系的前身，那里的气体含量非常高，恒星形成非常强烈。超大质量恒星的寿命很短，很快演化成恒星黑洞，大到太阳质量的几十倍，相比之下虽然很小，但很多都是在这些星系中形成的。形成的恒星黑洞周围致密气体具有非常强大的动摩擦力决定性效应，并使它们非常迅速地迁移到星系中心。到达中心区域的众多黑洞，大多数会相互较量吞噬合并，形成超大质量的黑洞种子。


根据经典理论，一个超大质量黑洞在星系的中心生长，捕获周围的物质，主要是气体，自己‘生长’，最后以与其质量成正比的节奏吞噬它。因此，在黑洞发展的最初阶段，当黑洞的质量很小时，增长非常缓慢。根据计算，要达到观测到的质量，即使是太阳的数十亿倍，也需要很长的时间。然而，研究表明，事情可以发展得比这快得多。
黑洞疯狂式的增大
研究的数值计算表明，恒星黑洞的动态迁移和聚变过程，可以使超大质量黑洞种子在短短1~5亿年内达到太阳质量的1万~10万倍。在这一点上，根据前述标准理论所设想气体的直接吸积，中心黑洞的增长将变得非常快，因为它成功吸引和吸收的气体数量将变得非常巨大，并在研究提出的过程中占据主导地位。


然而，正是本研究机制所设想从如此大的黑洞种子开始的事实，也是在年轻宇宙中，加速了超大质量黑洞的增长，并允许其形成。简而言之，根据这个理论，我们可以说宇宙8亿岁时就可以并存在了超大质量黑洞。研究除了说明模型并证明其有效性外，还提出了一种测试方法：大量恒星黑洞与位于中心的超大质量黑洞种子融合将产生引力波。
“看”超大质量黑洞种子的生长
所以，可以用目前和未来的引力波探测器看到和研究这些引力波。特别是，当星系中央黑洞种子还很小的时候，在初始阶段发出的引力波将可以被像Advanced LIGO/Virgo这样的引力波天文台探测器进行识别，并可以由未来的爱因斯坦望远镜完全表征。未来的探测器Lisa，使得超大质量黑洞的后续演化阶段可以被进行研究，该探测器将在2034年左右发射到太空。


通过这种方式，研究提出的黑洞演化过程，可以通过未来的引力波探测器，以互补的方式在其不同阶段进行验证。本研究表明，研究人员正在如何充分接近引力波和多信使天文学的新前沿。特别是，主要目标将是开发理论模型，如此次设计的模型，它将有助于利用当前和未来引力波实验中获得的信息，从而有望为与天体物理、宇宙学和基础物理有关悬而未决的问题提供解决方案。
博科园｜研究/来自：国际高级研究学院
参考期刊《天体物理学》
博科园｜科学、科技、科研、科普