聚焦超大质量黑洞是如何形成的

超大质量黑洞——包含数亿到数十亿倍恒星质量的物体——是现代天体物理学最神秘的秘密之一。它们潜伏在大多数星系的中心，包括我们自己的银河系。鉴于它们无处不在，这些黑洞可能在宇宙的形成和演化中发挥了关键作用。但是它们是如何变得如此庞大的呢？这个问题长期以来一直困扰着世界各地的理论物理学家。

其中最明智的一点——这些怪物变得如此之大是因为它们在数十亿年的时间里吞噬了大量的气体——被认为是错误的。最近的观察表明，在大爆炸之后的 8 亿年中，存在数十亿倍于太阳质量的黑洞。所以，谜团仍然存在：它们是如何在如此短的时间内获得如此多的质量的？大多数天体物理学家都同意超大质量黑洞起源于较小的“种子”黑洞。但他们无法就这样一个“种子”黑洞的大小达成一致。一个学派认为，这些“种子”黑洞应该很大——几千到几万个太阳质量；另一组得出结论，“种子”黑洞可以很小——不超过一百个太阳质量。

两派学者都不得不面对黑洞吞噬物质乱七八糟的问题：引力只能在物质逐渐聚集在黑洞周围之前，将一定质量的气体塞入黑洞的胃中，而周围的物质最终会形成白色发出强烈的辐射。白热的圆盘将进入的气体推开，强行切断了黑洞的食物供应。这被称为爱丁顿极限，它被认为严重限制了任何黑洞吞噬物质和生长的速度。采用小种子黑洞模型的优点是这些次中量级相对容易形成；缺点是这些小种子黑洞要想快速成长为超大质量黑洞，就必须“限制” Eddington 将更多作为一种可能性并依靠各种潜在的例外来规避其限制。相比之下，大种子黑洞模型的工作原理是为超大质量黑洞的形成提供一个良好的开端——更高的质量意味着它们可以在将其推开之前吞噬更多的气体。但更大的种子黑洞也更难形成。可能坍缩形成大种子黑洞的巨大气体星云也可能碎裂成更小的团块，形成星团而不是大种子黑洞。

东京大学天体物理学家 Naoki Yoshida 表示，不管支持大小种子黑洞，“有许多理论试图解释超大质量黑洞的存在或超大质量黑洞的集合”。有，但没有人能完全解释它。”吉田是大种子黑洞模型的支持者，也是周四发表在《科学》杂志上的一项新研究的合著者，该研究探讨了它们是如何形成和产生早期宇宙的。数量惊人的超大质量黑洞。他的“自然解决方案”使用大爆炸后流经宇宙的高速气流作为关键催化剂。具体来说，

黑洞的形成

吉田与他在德克萨斯大学奥斯汀分校和德国蒂宾根大学的合作者，使用计算机模拟来重现早期宇宙的情景，通过为程序提供宇宙学参数，例如天文学家从测量中计算出的暗物质密度早期宇宙的组成。“我们正试图重现这个初始状态，希望尽可能接近真实的观测结果，然后让这个宇宙随着时间的推移而演变，”吉田说。

根据该团队的模拟，在宇宙的某些区域，暗物质的引力会诱使大爆炸遗留下来的快速移动的原始氢和氦流进入陷阱。最近，研究人员发现，在大爆炸之后，这些早期气体可以在某些区域加速到令人难以置信的速度，吉田称之为“真正的快风”。吉田说：“你可以猜到，要捕捉到以这种速度移动的气体是非常困难的。想象一下，将你的手放在消防水带的喷嘴上，你的手臂会随着水的力量而摇摆。让这些强风成为唯一的方法停止是为了诱导足够强的重力。” 研究人员计算出，在早期宇宙中，每 30 亿光年直径就会有一大团暗物质，其大小足以使其质量产生的引力吸入并困住它。快风就像一股强大到足以将水流推向相反方向的力量。气体和暗物质之间的这种吸引力会产生大量气体云，并阻止许多小恒星沿途形成。

在这个模拟中形成的气体云随后坍缩成一颗巨大的恒星并继续吞噬更多的气体，直到它达到太阳质量的 34,000 倍。如果这颗奇特的、假设的大质量恒星完全由氢和氦组成黑洞的形成，那么它充其量也只有这么大。氢和氦是在任何恒星爆发超新星之前围绕早期宇宙旋转的两种元素气体，超新星产生了更重的元素黑洞的形成，如碳、氮和氧。大质量恒星的假设之前已经提出，但这是第一次有团队成功模拟它。“我们的计算机模拟不仅表明这种现象确实发生了，而且这种怪物般的恒星实际​​上可以形成，”吉田说。达到这个质量后，恒星最终坍塌，就这样，超大质量黑洞的种子诞生了。“这并不是我们在寻找一个具体的答案，答案对我们来说自然而然，”他说。“这就是为什么我认为，至少对于超大质量黑洞的起源来说，这是正确的答案。”

很好的答案，但并不完美

其他最初倾向于同意大种子黑洞假说的科学家对它们是如何形成的有不同的看法。例如，最近发表在《自然天文学》上的一项研究提出，这些种子黑洞不是由暗物质的一些模糊运动形成的，而是由星系中普通恒星的运动形成的。在这个假设下，附近年轻星系强烈恒星形成期间的强烈紫外线爆发可以阻止恒星变成巨大的气体云，使其能够持续存在，直到它直接坍缩成一个 100,000 个太阳大小的黑洞。

乔治亚理工学院的天体物理学家约翰·怀斯 (John Wise) 是发表在《自然：天文学》(Nature: Astronomy) 上的这项研究的作者之一，他认为新结果是该领域迈出的重要一步，因为吉田和他的同事是第一个模拟早期影响的人。超大质量黑洞形成过程中的气体运动。但他也认为，这并不排除他自己的理论。“我相信有多种方法可以形成超大质量黑洞，”他说。“这只是另一个，而且完全有可能。” 然而，他也指出，这些快速移动的气体在早期宇宙中非常罕见。“这些速度确实会波动（取决于你在宇宙中的位置），所以实际发生的几率仍然很低。” 据吉田介绍，在早期宇宙的一个区域中发现这种快速移动的风是非常不可能的。机会约为 0.3%。同样，吉田和他的同事指出，与年轻的恒星形成星系直接相邻的巨大气体云似乎很少见。“这个事件发生的可能性真的不确定，”吉田说。

Greg Bryan 是哥伦比亚大学的天体物理学家，也是发表在《自然：天文学》上的这项研究的高级作者。“这不是一个确定的答案，但它是迄今为止最好的答案，这种特殊的黑洞形成模式，”他说。然而，他有点担心他们的模拟会形成一颗更小的恒星。要形成黑洞，需要在一个小区域内聚集一束早期的气体，如果气体扩散形成一束恒星，黑洞的形成就不会发生。他说，如果模拟条件稍有变化，就不会形成大的种子黑洞。Bryan 还说：“就像我信任其他模特一样，我也信任他们的模特。”

亚利桑那大学的天体物理学家 Fulvio Melia 并不热衷于新理论。“（作者）依赖于太多模糊的物理现象，就像其他猜想大种子黑洞形成或它们以非常高的速度增长一样，”他说。“他们必须具体说明暗物质在其中发挥了某种作用。猜想，但我们甚至不知道它是什么。”

结束对种子黑洞的怀疑

为了明确回答这些庞然大物是如何形成的，科学家们提出了使用先进的下一代望远镜在未来观察早期宇宙的“种子”黑洞的可能性。这种可能性可能不会那么遥远。现在有几项举措，例如欧洲航天局的雅典娜任务，该任务将于 2028 年发射，以检测这些超大质量黑洞的 X 射线发射。美国宇航局即将于明年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜也可以为研究宇宙的第一批恒星和星系提供见解。

梅利亚说：“令人兴奋的是，未来几年会有一种方法来检验这些想法，因为将在外太空全面搜索这些超大质量黑洞。至于为什么会有这么多讨论问题，他补充说：“人们提出的是，事物与我们在周围宇宙中所知道的不同。"

译者：刘嘉欣

审稿人：柯奎宇