黑洞如何长成10亿个太阳的质量

2021-05-04

在宇宙的尽头有着质量相当于太阳几十亿倍的巨大黑洞。这些巨型天体——类星体——以星际气体为食,连续不断的吞没大量气体。气体在被吞噬以及在黑洞引力作用下被碾碎的过程中会释放出的光,后者穿越宇宙经过亘古进入地球上望远镜的观测范围,从而揭示了自己的存在。因此观测宇宙的边缘就是在回溯过去。我们所观测到的其实是这些遥远古代类星体的“婴儿照片”,它们被拍摄于宇宙大爆炸后10亿年以内:也就是年轻宇宙的怪兽婴儿。

一般来说,年轻黑洞形成于巨大恒星——质量一般为太阳质量的10倍以上——在自身核燃料耗尽后的巨大爆炸。没有恒星内核的原子熔炉推挤引力,恒星便会自我坍塌,大多数物质都会以巨大超新星爆炸的形式向外猛冲,而剩余的则向内坍塌,形成质量约为太阳10倍的黑洞。

自这些古代类星体被发现起,科学家们都非常好奇究竟是什么过程导致宇宙大爆炸后小型黑洞吞噬并膨胀到这样的程度。事实上好几个过程都限制了黑洞增长的速率。例如,气体一般不会直接落入黑洞,而会变道形成缓慢旋转的流,逐滴落入黑洞。当气体最终被黑洞吞噬,它释放出的光会推动气体。光抵消了引力并减慢了落入黑洞的流。

因此,这些古代类星体究竟是如何生长的?以色列魏茨曼科学研究所粒子物理学和天体物理学学院院长塔尔·亚历山大(Tal Alexander)教授和美国耶鲁大学天文学和物理学学院教授普里亚目瓦达·那达哈间(Priyamvada Natarajan)合作进行的研究提出了一种解决方案,它被发表在期刊《科学》上。

他们的模型始于早期宇宙一个小型黑洞的形成。在那时,宇宙学家相信气体流非常寒冷密集, 包含大量物质,后者比现在宇宙里观察到的稀薄气体流要更密集。饥饿新生的黑洞四处移动,因周围新生婴儿恒星的撞击而不断改变方向。快速的“之”字形运动导致黑洞持续扫动大量气体至轨道上,直接拖拽气体的速度是如此高以至于气体无法形成缓慢旋转的运动。黑洞越大,它吸食的速率越高;这一生长率高于指数增长。大约经过了1000万年后——这在宇宙时间里相当于一眨眼的时间——黑洞已经积累了相当于10000个太阳的质量。自那时起,异常的增长速率逐渐减慢到比较合适的程度,但黑洞的未来已经定型——它最终将达到10亿个太阳的质量。

揭秘银河系质量为10个亿太阳的黑洞生长过程

据媒体报道,宇宙中存在着质量相当于太阳几十亿倍的巨大黑洞,这些巨型类星体以星际气体为食,连续不断的吞没大量气体。气体在被吞噬以及在黑洞引力作用下被碾碎的过程中会释放出的光,后者穿越宇宙经过亘古进入地球上望远镜的观测范围,从而揭示了自己的存在。而科学家目前所观测到的其实是这些遥远古代类星体的“幼儿时期”。

一般年轻黑洞是由质量为太阳10倍以上的巨大恒星在核聚变反应的燃料耗尽“死亡”后,发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大,而体积却十分微小,它产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个临界点内,便再无力逃脱,包括光速。

那么,这些古代类星体究竟是如何生长的呢?

以色列魏茨曼科学研究所粒子物理学和天体物理学学院院长塔尔·亚历山大(Tal Alexander)教授和美国耶鲁大学天文学和物理学学院教授普里亚目瓦达·那达哈间(Priyamvada Natarajan)合作进行的研究提出了一种解决方案,他们制作了一种模型。他们的模型始于早期宇宙一个小型黑洞的形成。在那时,宇宙学家相信气体流非常寒冷密集,包含大量物质,后者比现在宇宙里观察到的稀薄气体流要更密集。饥饿新生的黑洞四处移动,因周围新生婴儿恒星的撞击而不断改变方向。快速运动导致黑洞持续扫动大量气体至轨道上,直接拖拽气体的速度是如此高以至于气体无法形成缓慢旋转的运动。黑洞越大,它吸食的速率越高;这一生长率高于指数增长。大约经过了1000万年后——这在宇宙时间里就相当于一眨眼的时间——黑洞已经积累了相当于10000个太阳的质量。自那时起,异常的增长速率逐渐减慢到比较合适的程度,但黑洞的未来已经定型——它最终将达到10亿个太阳的质量。

但是,到目前为止,黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出紫外线和X射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行黑洞轨迹,来取得位置以及质量。物质在受到强烈黑洞引力下落时,会在其周围形成吸积盘盘旋下降,在这一过程中势能迅速释放,将物质加热到极高的温度,从而发出强烈辐射,科学家也可以借此来观察。

研究引力波或可揭开超大质量黑洞形成之谜

据媒体报道,银河系存在不计其数的黑洞,那么黑洞是如何成长为超大质量黑洞的呢?这项研究的主要负责人有两位,分别是来自CSIRO的博士后研究员拉杨·沙能(Ryan Shannon),以及墨尔本大学和CSIRO联合培养的博士生维克拉姆·拉维(Vikram Ravi)。

这些观测主要是英联邦工业与研究组织(CSIRO)的Parkes射电望远镜给出的引力波数据。该论文的合著者,澳大利亚科廷大学国际射电天文学数据节点中心的拉姆什·巴特(Ramesh Bhat)博士表示:“这是我们首次有机会运用引力波数据对宇宙的另外一面开展研究工作,那就是超大质量黑洞的成长。”他说:“目前已经排除了一项现有的黑洞成长模型,而接下来我们将继续对其他现有模型进行考察。”

爱因斯坦曾经预言了引力波的存在——这是一种时空的涟漪,由大质量天体的运动速度或方向发生变化时引发,这类天体中比较典型的如相互围绕运转的两个黑洞等等。当星系之间发生合并,它们各自中央的黑洞也将不可避免地相互遭遇。起先两者会像是跳华尔兹那样相互围绕运转,而最终它们两者将发生碰撞并融合。巴特博士表示:“当黑洞相遇,它们将会释放出引力波,而我们将可以探测到这种引力波的存在。”

天文学家们此前一直借助Parkes射电望远镜开展针对引力波以及一组大约20颗小型但快速旋转的天体,即脉冲星的搜寻和研究工作。脉冲星就像是走时极其精确的太空计时器。其脉冲抵达地球的时间被进行精确测量,结果显示其精度在微秒级。当引力波在时空之中传播,它会造成天体之间距离的短暂改变(膨胀或缩小),这就将影响到脉冲星的脉冲抵达地球的时间精度。

Parkes脉冲星计时阵列(PPTA),以及更早时期由CSIRO与斯威本大学在此之前已经积累了超过20年的数据。尽管这样的积累时间还不足以对引力波开展细致研究,但研究人员认为他们已经找对了方向。正如巴特博士表示:“PPTA的结果向我们展示了,引力波背景的噪音是很低的。”他说:“宇宙中引力波背景噪音的强弱直接反映了其中超大质量黑洞之间相互融合的频繁程度,它们的质量规模,以及它们距离我们的远近。因此如果探测显示这种引力波的背景噪音很低,这将对这一问题的解答给出一些限定条件。”

借助PPTA积累的数据,研究组对现有的4个模型进行了研究。他们的研究首先排除了其中的一项模型,该模型认为黑洞之间的相互合并是其获得质量增长的唯一途径。然而其他三项模型仍然需要之后开展进一步的研究。

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