大爆炸后超大质量黑洞是如何变得如此之大如此之快？

December2017

艺术家对超大质量黑洞的渲染。(图片鸣谢:马克·加尔利克/科学图片库/盖蒂图片社)

据美国太空网（罗伯特·李）：：科学家们现在明白，超大质量黑洞潜伏在大多数(如果不是全部)星系的中心。这些宇宙巨人的质量是太阳的数百万甚至数十亿倍，然而当超大质量黑洞出现在局部宇宙中，从而出现在宇宙历史中时，巨大的体积并不构成问题。

然而，超大质量黑洞成为一个问题，当它们在早期宇宙中被发现时，它们已经有相当于几十亿个太阳的质量。这是因为一定有某种机制允许超大质量黑洞快速聚集质量并增长到如此巨大的尺寸，然而所有现有的增长机制都表明这一过程进展太慢，像这样的物体在大爆炸后就不存在了。

“在过去的二十年里，天文学家发现了超大质量黑洞，其质量与本地宇宙相同，因此是更近的宇宙——几十亿个太阳质量——大约在130亿年前，大爆炸后不到10亿年，”Maynooth大学的皇家社会大学研究员约翰·里根告诉Space.com。

里根用一个有点令人不安的类比描述了这个问题。“这就像看到一个家庭走在街上，他们有两个六英尺高的青少年，但他们也有一个六英尺高的蹒跚学步的孩子。这就有点问题了，这个蹒跚学步的孩子是怎么长得这么高的？宇宙中的超大质量黑洞也是如此。它们是如何这么快变得如此巨大的？”

今年，当詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)发现了最遥远和最早的超大质量黑洞时，这个问题变得更加复杂。这个黑洞位于CEERS 1019星系的中心，质量是太阳的900万倍，这使得它对于超大质量黑洞来说相对较小。

然而，即使在这种规模下，大爆炸后仅5.7亿年就存在的黑洞对黑洞增长理论提出了挑战。这个900万太阳质量的黑洞并不孤单。揭示这个超大质量黑洞的同一个观测活动，宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查，也发现了另外两个超大质量黑洞，它们分别存在于大爆炸后的10亿年和11亿年。

加拿大西安大略大学教授Shantanu Basu告诉Space.com说:“随着每一个新的发现，我们现有想法的约束变得更强。”“当大爆炸后8亿年发现超大质量黑洞时，我们很担心。CEERS极大地增加了挑战。”

这表明超大质量黑洞在宇宙的相对婴儿期是常见的，而不是一些宇宙罕见的东西，因此给寻找解释它们如何到达那里的机制带来了更大的压力。

黑洞是如何控制自己的饮食的？

除去宇宙大爆炸后遗留下来的原始黑洞，黑洞的三个主要类别是恒星质量黑洞，其质量是太阳的5至100倍，中等质量黑洞的质量是太阳的100至10，000倍，以及上述质量的超大质量黑洞。

当最大质量的恒星(相当于30到130个太阳质量)耗尽核聚变燃料，无法再抵抗自身重力时，就会形成恒星质量黑洞。当这些恒星的外层在巨大的超新星爆炸中被吹走时，核心坍塌产生了恒星质量的黑洞——空间区域的中心有一个无限密度的点，称为奇点，外部边界称为事件视界，重力如此之大，甚至连光都无法逃离它。

超大质量黑洞必须以不同于恒星质量黑洞的方式形成，因为一颗恒星不可能大到足以拥有初始质量来摆脱质量，因为它通过像超新星这样的事件演变，伴随着恒星的引力坍缩，但仍然留下一个足够大的核心，成为超大质量黑洞。

多年来，天文学家一直认为超大质量黑洞可以从比它小得多的“种子黑洞”开始它们的生命。首先以物质为食，然后在它们所在的星系碰撞时与其他黑洞合并，这也为这些萌芽的超大质量黑洞提供了气体和尘埃。

当这些宇宙种子发现自己被大量物质包围并贪婪地享用这些物质以快速成长为超大质量黑洞时，恒星质量黑洞种子的增长可能会发生。



宇宙的时间线。在宇宙大爆炸数十亿年后发现超大质量黑洞是意料之中的，但在第一批恒星形成时发现它们更令人惊讶。(图片来源:欧空局)

然而，这个过程应该被称为爱丁顿极限的东西所阻碍。正在进食的黑洞的光度或亮度与它们聚集质量的速度成正比。黑洞消耗物质越快，增长越快，增长越快，周围环境喷出的电磁辐射就越多。但是，如果黑洞周围以射流形式发出的电磁辐射足够强烈，它就会以物理方式将物质推开。这意味着黑洞“吃”得越快，它的食物供应就越有可能被中断和推开，从而停止增长。

艾丁顿极限意味着黑洞需要数十亿年才能吸积足够的物质达到超大质量黑洞的状态。里根是一个研究小组的成员，该小组研究了一种名为“超级爱丁顿吸积”的东西，这可以解释早期宇宙中超大质量黑洞的快速增长。他解释说，这不会有什么特别的，只是正常黑洞进食的一个更快速的版本

这将导致进料的快速“发作”,物料被喷嘴推开，停止进料，从而切断喷嘴。这使得物质落回黑洞，从而引发另一轮疯狂的盛宴。然而，里根和他的同事发现这种解释并不令人满意。

“如果你把这个喂食周期平均一段时间，它实际上比爱丁顿率要低，”里甘说。“一两个周期可能没问题，但总的来说，随着时间的推移，这不是很好，因为它不会持续下去。所以我们没有发现这不是一个真正解释超大质量黑洞增长的伟大机制。”

黑洞能走捷径获得超大质量状态吗？

Regan说，另一种可能有助于解释超大质量黑洞的快速增长的想法是，它们从中增长的种子黑洞是巨大的。

“我们有轻种子和重种子，所以超大质量黑洞可能在100个太阳质量时诞生，并一直发展到超大质量黑洞，或者它们可能从比太阳大10万个质量开始，并从那里发展，”里根说。“如果它们想要成长，一个小黑洞必须格外幸运，发现自己处于一个周围有很多很多气体的稠密环境中。但这不太可能。

“它比一个小黑洞更有可能在没有气体的环境中找到自己。所以那些小黑洞种子不太可能生长。”

巨大的黑洞种子仍将不得不进入这些密集的环境，但至少它们会领先于较小的种子。回到六英尺婴儿的类比，里根解释说，如果这个孩子出生时有普通婴儿的长度，那么这个孩子的成长就更难解释了。但是，如果这个婴儿出生的时候已经有三英尺长了，那么他变成六英尺高的蹒跚学步的孩子就不难解释了。



一幅插图显示了一个正在进食的超大质量黑洞。这些物体的早期例子是如何在大爆炸后这么快就变得如此巨大的？(图片鸣谢:NRAO/AUI/美国国家科学基金会，s .达格内洛)

对此进行研究的问题是，与蹒跚学步的孩子不同，黑洞除了它们的质量、角动量(自旋)和电荷之外，缺乏任何特征。科学家称之为“无毛定理”，这意味着黑洞看似简单，并不携带关于其历史或进化的信息。

“如果你在你的花园里发现了一个黑洞，你不能通过观察它来了解它，不知道它是昨天、一分钟前还是十亿年前到达那里的。它没有历史，没有指纹，”他继续说道。“所以当我们观察今天或130亿年前的黑洞时，我们不知道它的年龄，所以我们不知道它能够增长多久。”

Basu补充说，观察早期宇宙中黑洞膨胀的喂养过程是不可能的，因为它离我们如此遥远，但检测超大质量黑洞喂养在未来可能是可能的。“早期宇宙中假设的超大质量恒星会非常明亮，亮度可能是我们太阳的100亿倍。如果这些天体在宇宙大爆炸后的几亿年后还存在，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)或欧几里德望远镜就有可能探测到它们。”

尽管存在这些问题，Regan相信，通过研究早期宇宙中的黑洞和潜在的重种子，科学家将很快能够构建一个超大质量黑洞增长图。他特别指出了激光干涉仪天基天线(LISA)的发射，这是一种天基引力波探测器，将帮助科学家更好地限制早期宇宙中黑洞的人口统计数据。

“我认为我们在过去10年取得了巨大的进步。巨大的。在未来十年，我们也将继续取得巨大进展。，”里根说。“从这些人口统计数据中推断出来，将让我们非常非常好地处理遥远宇宙中发生的合并数量，这些合并涉及的黑洞正好在我们需要的质量范围内，质量约为太阳的10万倍。

“我认为我们很有可能在未来5到10年内解决这个问题。”