揭秘宇宙首个黑洞的形成过程

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黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的半径小到一定程度，小于史瓦西半径时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。2011年12月，天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。



一项最新计算机模拟显示，尽管宇宙中第一个黑洞大约形成于宇宙大爆炸之后的2亿年时期，它体积非常小，并且增长缓慢，但实际上它却能够戏剧性地影响其周围环境。
这项计算机模拟是由科维理粒子天体物理学与宇宙学研究所天体物理学家马赛尔－阿尔瓦瑞兹（Marcelo Alvarez）和托姆－亚伯（Tom Abel）等人运算完成的，之前的通俗观点认为，宇宙早期的第一个黑洞是以气体云和灰尘为食，最终增长成为特大质量黑洞，潜伏在目前星系的中心区域。然而，这项最新研究显示宇宙中第一个黑洞的诞生过程要更加复杂，该研究报告发表在《天体物理学期刊快报》上。
亚伯说：“我感到兴奋的是我们目前能够模拟非常具体的物理学特征，我们能够显示这些理论是如何运行的，以及哪些理论是行不通的。在未来十年内，我们使用类似的计算机模拟系统将能够揭示关于宇宙黑洞的非常重要特性。
为了获得这项研究发现，研究人员建立了迄今由于恒星崩溃形成的宇宙第一个黑洞，这项模拟起始于宇宙背景辐射（宇宙中最早期的结构）的观测数据，研究人员应用基础法则控制宇宙物质的交互作用，使得早期宇宙的模拟过程能够成为现实。在模拟实验中，宇宙大爆炸残留的气体云在重力作用下缓慢进行合并，最终形成第一批恒星。这些超大质量、炽热恒星短暂地明亮燃烧，喷射出大量的能量物质形成星光，推动附近的气体云远离它们。然而这些恒星的寿命并不长久，它们很快就耗尽内部燃料。这将导致其中某个恒星在自己的重量下崩溃，在宇宙中的空虚区域内形成一个黑洞。在这个宇宙最早的黑洞周围缺少宇宙物质，使其在成长过程中一直处于缺乏食物的“饥饿状态”。
阿尔瓦瑞兹说：“宇宙早期由黑洞提供能量的类星体（具有极强的辐射性）质量是太阳的10亿倍，我们必须弄明白这些超大质量星体是如何在短期内增长成庞然大物的。我们将从天体物理学角度解释这些最基础的起源物质。”早期宇宙存在超大质量黑洞的一种推测性解释是第一个黑洞通过重力吸引和吞并宇宙物质，“播种”形成较大体积的黑洞。但是在最新的计算机模拟中，研究人员发现像以上的理论推测是行不通的，计算机模拟中的黑洞在1亿年里仅增长原始质量的1%。他还指出，，虽然计算机模拟实验并未完全排斥这项理论，通过模拟观测宇宙第一个黑洞存在近10亿年的时间，该黑洞几乎不可能直接形成超大质量黑洞。
虽然宇宙早期恒星推开附近的气体云，延迟之后恒星崩溃形成黑洞的成长速度，但仍在黑洞附近可发现几缕气体。在研究人员的模拟实验中，宇宙物质被吸入黑洞后，黑洞将加速，并释放出足够的X放射线加热100多光年之遥的气体，使其升温到数千摄氏度。来自X射线的附加热量将导致气体扩张远离黑洞。
由于X射线的加热，将能有效地预防在数千万年至数亿年间附近的气体崩溃形成恒星，因此，研究人员推测比普通气体云更大体积的气体云能有机会形成恒星，像这样的超级气体云可能最终在其重量下崩溃形成一个超大质量黑洞。阿尔瓦瑞兹说：“虽然从宇宙物质释放的X射线落在宇宙第一个黑洞上可阻碍黑洞的未来成长，但通过抑制恒星形成，X射线能够加速形成超大质量黑洞。然而我们目前仍有许多的工作需要进行测试，确定这些理论观点是否真实有效，这只是宇宙早期模拟黑洞研究的冰山一角而已。”
该研究小组成员之一约翰－维斯（John Wise）来自美国宇航局戈德登太空飞行中心，他强调称，这项研究很可能会使人们重新反思来自黑洞的放射线如何影响周围的环境，黑洞并不仅仅是一些死寂的宇宙物质，它们实际上可以影响星系的其他部分。