超出科學認知,為何黑洞質量能夠如此之大?

漫酱~ 2023/01/12 檢舉 我要評論

宇宙初期超大質量黑洞的存在對天文學家來說從未有多大意義。自2006年以來的觀測表明,宇宙形成不到10億年時,擁有10億個太陽質量巨大怪物已經就位--對他們來說,用常規的方法形成還為時過早。

耶魯大學的理論天體物理學家Priyamvad Natarajan說,這些古老的巨大物體中有一兩顆可能被視為怪物。但到目前為止,天文學家已經發現了100多個在宇宙誕生9.5億年前就存在的超大質量黑洞。「他們太多了,現在不可能是怪胎了。」她說,「妳必須有一個自然的解釋,這些事情是如何發生的。」

通常的假設是,這些黑洞要麼誕生得出乎意料的大,要麼成長得很快。但最近的發現甚至挑戰了這些理論,并可能迫使天文學家重新思考這些黑洞是如何生長的。

在現代宇宙中,黑洞通常是由大質量恒星形成的,它們在自己的引力下在生命的盡頭崩潰。它們通常開始時小于100個太陽質量,并且可以通過與另一個黑洞合并而生長,或從環境中吸收氣體。

這種氣體通常組織成一個盤片,螺旋進入黑洞,摩擦將圓盤加熱到白熱的溫度,在數十億光年內產生一種明亮的輝光。這些以氣體為食的黑洞被稱為類星體。類星體吃得越快,它的圓盤就越亮。

但是氣體的輝光也限制了黑洞的生長:明亮的圓盤光子把新鮮物質趕走。這就為給定質量的黑洞的成長速度設定了物理限制。天文學家用一個叫做愛丁頓極限的術語來表達黑洞進食的速度,測量黑洞的實際亮度與它如果吃得越快就會有多大的亮度。

挑剔的進食者。

天文學家在早期宇宙中只測量了大約20個超大質量黑洞的愛丁頓極限。大部分似乎都在極限之下進食,與當今宇宙中的類星體相比,它們的進食速度只有現在的十分之一。這些暴烈的進食率似乎仍然與黑洞的超大質量相抵觸:一個100太陽質量的黑洞在這個極限范圍內累積起來,應該需要大約八億年才能達到10億太陽質量,甚至考慮到隨著它的增長,它會吃得更快。這八億年不包括最初形成黑洞種子所花的時間。

但是韓國首爾國立大學的物理學家Myungshin Im和他的同事們擔心,之前的觀察結果錯過了一些挑剔的進食者,因為快速食用者更明亮,更易于發現。

如果一些早期的大質量黑洞是懶惰的進食者,那麼它們的超大尺寸就會變得更加令人困惑--而且可能會排除一些關于它們是如何成長的理論。

因此,研究小組在2015年9月智利拉斯坎帕納斯天文台的觀測活動中,刻意尋找了更暗的遙遠類星體。

研究人員發現,IMSJ 204+0112是一個10億個太陽質量的黑洞,以十分之一的速度限制進食,并且從宇宙大約9.4億歲時就開始了。但是,研究小組在2月9日說,在宇宙誕生80億歲之前,黑洞應該不會完全成熟。

「我們第一次證明了在早期宇宙中存在著低愛丁頓極限的類星體,」IM說。

IMSJ 204+0112是迄今發現的最遲鈍的類星體,但它并不是唯一的。德國馬克斯普朗克天文研究所的物理學家Chiara Mazzucchelli和他的同事們在去年11月的「天體物理雜志」上報道了宇宙不到八億歲時存在的11個雜亂無章的超大質量黑洞。

研究小組稱,這些類星體的平均重量約為16.2億個太陽質量,但進食速度限制在40%左右。奇怪的是,這個群體中最大的黑洞HSC J1205-0000的攝食率最低:黑洞的質量有47億個太陽質量,但它的攝食量僅為極限的6%。

在早期的宇宙中,發現超大質量的黑洞有著貪婪的胃口是很奇怪的,但是這些挑剔的進食者更難以解釋。

天文學家們希望在更早的時間里窺視將有助于找到「種子」黑洞,這些黑洞可能會成長為巨型黑洞。如果一些黑洞一開始就很大,從1萬到100萬個太陽質量,它們可能會變得更大,要麼通過相互合并,要麼在愛丁頓極限處增大。

哈佛大學的天體物理學家阿維·勒布說:「如果妳從這麼大的種子開始,妳就有了一個快速的開始。那麼,妳就不需要那麼多時間來成長到十億個太陽質量了。」

但是,理論學家們15年來一直在試圖弄清楚這樣巨大的黑洞最初是如何形成的。一個想法是,巨大的氣體云或超大質量恒星直接塌陷成一個巨大的黑洞。

超大質量種子。

最近的研究表明,事情不會那麼簡單。智利康塞普西翁大學的物理學家Dominik Schleicher說,理論研究表明,很難阻止這些氣體云碎裂成一團小恒星,而不是坍縮成一顆大恒星。

在2018年5月的皇家天文學會月報中, Schleicher和他的同事們指出,這些星團也能產生巨大的黑洞種子,因為新形成的恒星會在星團中釋放出氣體。這樣的恒星可能膨脹到太陽半徑的100到1000倍。它們膨脹的大小和彼此之間的緊密距離將使這些恒星發生碰撞,引發多米諾效應,最終將星團中的所有恒星聚集成一顆質量為太陽質量10000倍的超大質量恒星。那顆超大質量的恒星可能會崩潰,形成一個質量相對較大的種子黑洞。

另一種可能是早期的超大質量黑洞只是打破了愛丁頓極限。它們可能經歷了比想象中可能更快的進食期,在平靜下來之前,它們已經增長到了幾乎超大的比例。

勒布指出,在當今的宇宙中,有些情況下黑洞的進食速度超過了愛丁頓極限,比如當黑洞撕開并吞噬一顆恒星時。也有一些情況下,輻射可以被困在黑洞表面附近,防止它把物質推開。「在這種情況下,妳可以給黑洞提供妳想要的速度。」勒布說。

或者,Natarajan和他的同事們認為,答案可能是兩者兼而有之:天生大的黑洞變得更大更快。Natarajan說:「越來越多的證據表明,我們需要考慮的不僅僅是一種方式。」

在2017年12月「天體物理雜志快報」上的一項研究中,他們進行了計算機模擬,表明某些環境可以促進黑洞的生長,從而允許黑洞消耗持續的氣體流。

然而,只有質量至少是太陽質量10000倍的黑洞,才能在10億年內成長為10億個太陽質量。但是最巨大的種子更有可能是在一個富含氣體的環境中誕生的。

Natarajan說:「周圍的環境和這些黑洞的誕生條件實際上使它們處于快速增長或增長緩慢的軌道上。巨大的黑洞種子是那些贏得了出生彩票并獲得了人生最好開端的種子。」

最終,如果天文學家希望找到超大質量的種子,天文學家們將需要更及時地觀察它們。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將于2021發射,在大爆炸后的四億或五億年間,它應該能夠探測到類星體和恒星。未來的引力波觀測台名為Lisa,其目標是探測宇宙歷史上的超大質量黑洞。

Natarajan說:「區分這些模式的唯一方法是回到過去。」

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