年幼的宇宙如何養(yǎng)育出大胖子黑洞

左文文

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

如果將可觀測(cè)宇宙歷史138億年濃縮為100年，那就相當(dāng)于在宇宙只有5歲時(shí)，養(yǎng)育了一個(gè)大胖子黑洞。這不禁讓人產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)：這個(gè)胖子黑洞是如何養(yǎng)成的？

宇宙中常見(jiàn)的怪獸

黑洞的提出，還要回到愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。在廣義相對(duì)論提出的那一年，德國(guó)天文學(xué)家史瓦西求出了愛(ài)因斯坦方程的第一個(gè)嚴(yán)格解，對(duì)應(yīng)的是球?qū)ΨQ、不自轉(zhuǎn)物體重力場(chǎng)的精確解。他發(fā)現(xiàn)，任何具有質(zhì)量的物體都存在一個(gè)臨界半徑—后被稱作史瓦西半徑。如果某質(zhì)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(xù)塌縮至黑洞。在史瓦西半徑內(nèi)，包括光子在內(nèi)的任何粒子都無(wú)法逃離，意味著我們無(wú)法看到它。

當(dāng)然，黑洞不是停留在筆尖的數(shù)學(xué)解，而是宇宙中常見(jiàn)的怪獸。盡管我們不能直接看到黑洞，但可以通過(guò)它們對(duì)周圍物質(zhì)的引力影響，如根據(jù)周圍恒星或氣體的運(yùn)動(dòng)，或根據(jù)黑洞的強(qiáng)引力對(duì)光線的彎曲效應(yīng)等來(lái)判斷它的存在。引力波信號(hào)的探測(cè)，以另一種方式證明了黑洞的存在。

天文學(xué)家們根據(jù)質(zhì)量的不同將黑洞分類成：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（質(zhì)量從幾倍到幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（質(zhì)量大于幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）和介于恒星級(jí)和超大質(zhì)量黑洞之間的中等質(zhì)量黑洞三大類。……