黑洞的形成

骑UFO看外星人

宇宙中的黑暗霸主黑洞的形成原因是什么？

我们知道，宇宙中不仅有机生命会成长，一些无生命的物体，例如黑洞的形成，也会成长。

我们知道，恒星燃烧到后期都要来一次“清仓大甩卖”，即所谓的“超新星爆发”。经过“清仓”之后，如果剩余物质还超过3～4倍的太阳质量，那么恒星的核心就会坍塌成一个黑洞。

“黑暗霸主”

怎么吃胖的？

不过，这只是恒星量级的小黑洞。比起另一类黑洞，它们只能算是小儿科。放眼整个宇宙，几乎每个大型星系的中央都潜藏着一个超大质量黑洞。譬如我们银河系中心的黑洞，是太阳质量的约400万倍，而在另一些星系，中心黑洞的质量甚至可达太阳质量的数十亿倍。它们毫无疑问是宇宙中的“黑暗霸主”。

大小黑洞虽然悬殊，但前者显然是由后者“成长”来的，这并不是什么不可想像的事情。以我们自己为例。成人身上含有500～600万亿个细胞，可当初不也是从一个受精卵细胞开始发育的吗？

但是，黑洞的成长跟有机生命的成长还是有本质区别的。有机生命的成长靠的是细胞分裂，细胞一分二，二分四……这样以几何级数分裂下去，很快就能达到天文数字。黑洞成长虽是一种天文现象，却不能天马行空般地“速成”，只能老老实实一口一口吃成胖子，中间还可能长时间停滞，因为它不能像动物那样四出觅食，只能来什么吃什么，万一没东西呢，那自然就挨饿了。

这么一考虑，麻烦就来了。天文学家发现，从宇宙中条件允许小黑洞形成之日起到现在，黑洞似乎没有足够的时间长成如今盘踞星系中心的超大质量黑洞。那么，黑暗霸主是怎么来的呢？这就成了一个谜。

霸主似乎长得太快了点

既然黑洞来自恒星的坍塌，可见黑洞只能出现在宇宙中有了恒星之后，这个时间大约在大爆炸后数千万年。按照原先的理论，为超大质量黑洞提供小黑洞“种子”的，是第一代恒星。

当宇宙中的第一代恒星形成时，由于当时氢氦等原料十分丰富，所以这些恒星的个头都特别大，动辄是太阳质量的好几百倍。这些恒星很快燃烧殆尽，其核心坍缩成一个大约100倍太阳质量的黑洞。这些黑洞在随后的岁月里，不断吞噬周围的气体，最终长成庞然大物。理论上讲，只要保证周围有充足的“食物”，一个黑洞每3000万年就可以质量翻番。你自己不妨计算一下，从100倍的太阳质量跨越到10亿倍的太阳质量，黑洞的质量需要翻番23次，所花时间大约是7亿年。

这一切似乎都没错，目前观察到的超大质量黑洞，差不多正是这个年龄。但这里有个问题：要保证黑洞如期长大，有个前提，那就是黑洞要一刻不停地“吃”才行。可是保证这个前提却并非易事。

黑洞不能一刻不停地吃

为什么说保证黑洞时刻都有东西“吃”并非易事呢？

让我们来看一类迄今还很活跃的黑洞。在遥远的宇宙空间，有一类天体叫类星体。类星体中心有一个极明亮的光点，亮度往往超过周围所有千百亿颗恒星的总和。天文学家认为，类星体实际上是一类异常活跃的星系。其中心隐藏着一个超大质量黑洞，这个黑洞正在贪婪地进食。当物质盘旋着落向黑洞时，通过摩擦生热，发出耀眼的光芒，一部分物质甚至在磁场驱动下以99%的光速往外喷射，形成喷流。黑洞吞食的东西越多，它发出的辐射和喷流就越强烈。

但是中心的黑洞却注定要为夺目的光芒而挨饿。因为这些向外的辐射和喷流会驱散落向黑洞的物质，切断黑洞的“食物”供应。没东西吃，黑洞自然在一段时间里要停止生长。

你看，即使在周围食物很丰富的情况下，黑洞况且还吃一口吐半口，没有食物会如何，就可想而知了。

我们无法想像黑洞会以别的更快的方式进食，可是“在差不多7亿年的时间内，小黑洞长成了超大质量黑洞”又是一个不容否认的事实，所以要解决这个问题，只能设想长成超大质量黑洞的“种子”应该比原先设想的要大。

那么，产生更大黑洞“种子”的可能有哪些呢？下面就是天文学家提出的几种可能。

黑洞的形成第一种可能：恒星碰撞

有一种可能是，超大质量黑洞并非始于单颗恒星，而是始于许多颗恒星。2003年，一位美国天文学家对一个正在形成的早期星系进行了电脑模拟，这个星系拥有数百颗明亮的年轻恒星。他发现，质量最大的恒星往往会聚集在星系中心附近，因而“磕磕碰碰”几乎不可避免。当恒星碰撞时，它们就融合成一颗更大的恒星，如果数百颗恒星通过碰撞融合在一起，我们就可以得到一个质量比太阳大好几千倍的天体。这个天体坍缩成的黑洞，质量可以达到太阳质量的上千倍。

种子是比原先大了，但这个猜想也还是面临一个老问题：种子似乎还不够大。因为即使是一个质量相当于太阳1000倍的“种子”黑洞，也必须要经历20次质量翻番，才能够成长为10亿倍太阳质量的超大黑洞。要保证如期长成大胖子，这期间黑洞要狼吞虎咽不停地吃才行。而我们前面已经说了，要保证黑洞在数亿年内一直有充足的食物，并不容易。

所以，这个设想还是没有根本上解决问题。

黑洞的形成第二种可能：

星系中心坍缩

有一种想法很简单也很新奇：既然恒星会坍缩，星系为什么就不能坍缩？恒星的核心坍缩变成一个小黑洞，星系的中心就不能坍缩成一个大黑洞吗？

星系的中心要坍缩，该处的密度必须足够大。可是要在星系中心塞进这么多物质并不容易。要过的第一关，就是自转。即使是最早的星系，也会带有一点点旋转。当它们收缩时，其中的气体会转得越来越快。最终，旋转产生的离心力会与引力达到平衡，形成一个自转的气体盘，几乎没有物质再能落入星系中心。

要是很多条件能凑到一块，这个障碍倒也并非不能克服。比如在星系自转足够慢，密度足够大，周围又有恒星正在密集形成的情况下，或许会有物质源源不断地掉进星系中心，坍缩成黑洞，并在短短几千万年时间里把它喂养到太阳质量的100万倍。然后，这个黑洞种子只需翻番10次就能达到太阳的10亿倍。就算“食物”供应不那么充足，在几亿年的时间里做到这一点也绰绰有余。

可是这些条件能凑到一块，在天文学家看来还是过于巧合了。这种巧事发生一次两次尚可，但超大质量黑洞在宇宙中这么普遍，它们的出现哪会都是事事碰巧的结果？

黑洞的形成第三种可能：

微型黑洞合并

最激进的想法或许是，巨型黑洞是由大爆炸的烈焰直接铸造的。在欧洲大型强子对撞机投入运行之前，有人就曾担心强子对撞机会制造出微型黑洞来。这种担心并不是完全没有道理的，因为强子对撞机模拟宇宙大爆炸之后不到1/10秒内发生的事情。在真实的宇宙中，那个时候，粒子能量那么高，它们所处空间又那么小，撞出个微型黑洞来也不是完全没有可能的。

现在有人就继续发挥这样的想像：这些微型黑洞如果进一步合并，就可能在非常短的时间内形成质量达太阳10万倍的中型黑洞。然后这些中型黑洞经过缓慢的成长，变成超大质量黑洞。

不过如果是这样，那么这些在宇宙早期就已存在的中型黑洞，会因抽吸周围的气体而发出明亮的X射线，从而在宇宙微波背景辐射中留下印记。但我们迄今并没有观察到这些印记。

黑洞的形成第四种可能：暗星黑洞

最后还有人求助于暗物质来解决这个难题。

暗物质是构成宇宙中物质总质量85%的神秘物质，这种物质没有电磁作用，只有引力和弱核力。

2007年，美国两位天文学家提出，第一代恒星中有一些可能是由暗物质组成的。这些暗物质在引力作用下聚集成团。因暗物质粒子的反粒子是它自身，所以相遇时会彼此湮灭，发射出光芒（这一点跟通常恒星通过核聚变产生光芒不一样），形成所谓的“暗星”。又因为暗物质没有电磁作用，所以暗星的辐射不会驱散周围的暗物质，暗星几乎可以无限地持续成长，最终坍缩形成质量高达太阳10万倍的种子黑洞。有了足够大的“种子”，其他的事情就交付时间来解决了。

要验证这个可能性，关键是在宇宙中要找到暗星。2018年，美国计划发射韦伯空间望远镜，其中一项任务就是探测暗星。

如果韦伯望远镜什么都没发现，天文学家还将在未来发射太空激光干涉仪，用来探测黑洞碰撞合并时发出的引力波。如果能探测到引力波，就可以倒推出黑洞的大小，揭示黑洞成长的秘密。

如果这一切都不能奏效，那么在这个问题上，我们恐怕真要掉进无底的黑洞里去了。