年幼的宇宙如何養育出大胖子黑洞

左文文

近期，《自然》刊發的一篇文章再次刷新了人類探測黑洞的記錄。該文章宣布發現了宇宙大爆炸之后6.9億年的超大質量黑洞，是迄今所知宇宙最早期的超大質量黑洞。

如果將可觀測宇宙歷史138億年濃縮為100年，那就相當于在宇宙只有5歲時，養育了一個大胖子黑洞。這不禁讓人產生這樣的疑問：這個胖子黑洞是如何養成的？

宇宙中常見的怪獸

黑洞的提出，還要回到愛因斯坦的廣義相對論。在廣義相對論提出的那一年，德國天文學家史瓦西求出了愛因斯坦方程的第一個嚴格解，對應的是球對稱、不自轉物體重力場的精確解。他發現，任何具有質量的物體都存在一個臨界半徑—后被稱作史瓦西半徑。如果某質量的物體塌縮至史瓦西半徑，該物體將在自身引力作用下繼續塌縮至黑洞。在史瓦西半徑內，包括光子在內的任何粒子都無法逃離，意味著我們無法看到它。

當然，黑洞不是停留在筆尖的數學解，而是宇宙中常見的怪獸。盡管我們不能直接看到黑洞，但可以通過它們對周圍物質的引力影響，如根據周圍恒星或氣體的運動，或根據黑洞的強引力對光線的彎曲效應等來判斷它的存在。引力波信號的探測，以另一種方式證明了黑洞的存在。

天文學家們根據質量的不同將黑洞分類成：恒星級質量黑洞（質量從幾倍到幾百倍太陽質量）、超大質量黑洞（質量大于幾百萬倍太陽質量）和介于恒星級和超大質量黑洞之間的中等質量黑洞三大類。目前，恒星級質量黑洞和超大質量黑洞都被觀測到，唯獨中等質量黑洞的觀測成果甚少。

貪婪吞噬物質的一生

一般認為，恒星級質量黑洞的形成與大質量恒星有關。它演化到晚期后，核心的燃料用盡，所產生的能量無法抵擋自身物質向內的引力，會發生塌縮，并以超新星爆炸結束自己的生命。當剩余的核心質量大于3.2倍太陽質量時，將會在引力作用下繼續塌縮形成黑洞。

面對中等質量黑洞缺乏觀測證據的現狀，天文學家們推測，中等質量黑洞的來源有三種可能機制：恒星級質量黑洞的并合或恒星級質量黑洞通過吞噬氣體成長而形成，宇宙大爆炸過程中形成的原初黑洞，以及經星團歷練后的大質量恒星塌縮而成。對于第三種可能，科學家認為在星團中，很多大質量恒星可能持續損失能量和轉動的能力，因而慢慢移動到星團的中心，它們之間相互碰撞并合形成更大質量的恒星，直至形成質量在幾百倍至幾千倍太陽質量的恒星，并最終塌縮形成中等質量黑洞。

至于超大質量黑洞，簡單的回答便是通過更小質量黑洞的碰撞并合，以及更小質量的黑洞吞噬氣體塵埃而成。

黑洞吞噬物質在宇宙中是常見的。而黑洞并合帶來成長，也不難理解。LIGO探測的五次引力波都對應了恒星級質量黑洞的并合事件，讓更小的黑洞借助并合成長為更大的黑洞；幾乎在每個大質量星系的中心都存在一個超大質量黑洞，宇宙中也不乏星系并合的觀測證據，星系并合的后期，便是兩者中心超大質量黑洞的并合。

黑洞成長的時間危機

黑洞吞噬周圍氣體是有節制的。黑洞在吸積吞噬周圍物質時，物質下落釋放的引力能會轉化為輻射，當吞食的物質累積到一定程度，向外的輻射壓會阻止物質的進一步下落。當天體作用于一個粒子上的引力和輻射壓剛好平衡時，對應的臨界吸積率稱作愛丁頓吸積率。一般情況下，愛丁頓吸積率是黑洞吸積物質的最大效率。

觀測發現，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之后10億年內，就存在質量為百億倍太陽質量的超大質量黑洞。這令人疑惑，如果說它是從一個嬰兒（種子）黑洞長大的，這個嬰兒黑洞得多大？嬰兒黑洞如何吞噬周圍氣體塵埃食物，才能長成實際觀測到的大胖子呢？

最自然的一類種子黑洞要尋根于宇宙大爆炸后幾億年左右形成的第一代星系。它們中的大質量恒星快速演化到晚期，發生超新星爆炸，核心殘留的天體便是質量約幾百倍太陽質量的黑洞。

但如果假設種子黑洞是這類恒星級質量黑洞，鑒于質量增長的速度受愛丁頓吸積率限制，那么即使種子黑洞一直以最快速度成長，質量增長到十億、百億倍太陽質量所需要的時間也遠遠超過它的年齡。這就帶來了所謂的黑洞成長時間危機問題。

吃得更快，還是生來就更胖

為了解決這個問題，縮短超大質量黑洞成長所需要的時間，天文學家們從理論上提出了多種可能方案，其中有三種被廣為接受。

其中一種方案中，科學家假設種子黑洞仍然是小質量的恒星級黑洞，但是成長速度更快，以超過愛丁頓吸積率的速度吃東西。理論研究發現，要想維持超愛丁頓吸積，需要保證種子黑洞深居足夠致密的氣體中，從而使光子無法有效地輻射出去。但是試想，種子黑洞所處的第一代星系中，新形成的恒星還不穩定，會吹出劇烈的星風；演化到晚期的恒星可能進入超新星爆炸階段，產生強烈的沖擊波。在如此不太平的環境中，能否維持那一方致密氣體包裹住種子黑洞，讓它保持超愛丁頓吸積直至成長為超大質量黑洞，仍然是個未知數。

在另一種方案中，科學家認為宇宙早期就存在中等質量黑洞，種子黑洞生來就更胖，而它們源于氣體云塊的直接坍縮。這一方案的重點在于，氣體云塊無法有效冷卻，因而抑制了氣體云的碎裂和后續的恒星誕生，導致最后直接引力塌縮為中等質量黑洞。在真實的早期宇宙中，具有這種性質的氣體云塊確實可能存在—一團主要成分為氫和氦的氣體云，沐浴在紫外光子的海洋中。而針對黑洞吞噬的氣體供給方面，上海天文臺沈俊太的研究提供了一種可能，旋渦星系的盤狀結構容易受到自身動力學不穩定性或者星系間的潮汐作用的影響而形成星系棒；早期星系演化中星系棒能夠驅使足夠多的氣體流入星系中心，為形成超大質量黑洞提供了潛在的原料。

不過也有科學家認為，作為種子黑洞的中等質量黑洞，源于經星團歷練后的大質量恒星的塌縮。

為了緩解時間危機，后兩種機制沒有試圖加快種子黑洞通過吞噬氣體來成長的速度，而是理論上預言宇宙早期存在中等質量黑洞作為種子黑洞。在上述三種理論中，第二種理論的預言與一些觀測結果相符，因此該理論的受關注度越來越高。

關于宇宙如何在其早期養育出胖子黑洞，還有很多未解之謎，相信觀測技術和設備的提升會揭開宇宙早期的更多秘密，如詹姆斯·韋伯望遠鏡將能直接觀測到最早期的星系和黑洞，在種子黑洞的尋找和研究上有所收獲；以激光干涉空間陣列為代表的空間引力波探測器將有助于限制黑洞并合模型；高精度的數值模擬也將幫我們理解黑洞的形成與演化。

（本文轉自《科技日報》）