那些胖出天际的黑洞是怎么吃成这样的？

　　宇宙中有一种特殊的星系，因其中心的黑洞疯狂吞食周围物质而发出极强的光芒，但因其发光区域比普通的星系小得多，乍看之下更类似于恒星，因此被称为“类星体”。人类通过观测与分析，确认早期宇宙中的类星体中含有超级巨型的黑洞，它们的质量达到几十亿甚至上百亿太阳那么重。这些黑洞如何在宇宙年龄不到10亿年时就长成如此巨大的规模，一直是一个有争议的热门课题。不久前发表于《科学》（Science）杂志上的一项新研究，给出了一条新的线索[1]。 
类星体与巨型黑洞
　　早在1960年，天文学家就发现了所谓的“类星体”，它们比星系小得多，远远看上去像是恒星，但亮度却可以比整个银河系还亮几百倍以上。此后不久，就有理论天文学家解释了类星体的发光原理：星系中心的巨型黑洞在吞食大量物质（气体和尘埃），这些物质在落进黑洞的过程中相互摩擦、加热，发出强烈的光芒，就如非洲草原被狮子吃掉的斑马临死前发出悲鸣。

图1：类星体的艺术想象图。气体和尘埃形成一个围绕着中心黑洞的环，两极形成喷流。图片来源：NASA/ESA

　　对于类星体的研究，最近一些年的一个重要进展是：发现了许多远古时期的类星体。这些类星体在宇宙年龄仅10亿年的时候就已经形成，并发出强光。比如，2015年，北京大学的吴学兵教授在《自然》 （ Nature）上发表论文[2]，宣布发现一个宇宙年龄仅9亿年时（红移为6.3）的类星体 SDSS J010013.02+280225.8。要知道，当前宇宙的年龄大约为138亿年，9亿年只是宇宙的幼年期。更令人惊讶的是，理论计算表明，这些类星体中心的黑洞的质量达到几十亿个太阳，甚至上百亿个太阳那么大。例如吴学兵教授发现的那个类星体里的黑洞，质量就达到120亿倍太阳质量。作为对比，银河系中心的黑洞的质量大约是400万个太阳质量，只能算小字辈。

图2：银河系中心附近的一小块区域的高清晰度图。中心部分被放大到右上方，后者中心的橙色十字表示银河系中心黑洞的位置，S2是一颗恒星，围绕着中心黑洞旋转。科学家们使用欧洲南天天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）持续观测了大约20年，发现多颗绕着共同中心旋转的恒星，根据它们的轨道，计算出银河系中心的黑洞质量大约是400万个太阳那么重。银河系中心的黑洞已经进入休眠状态，因为它周围足够近的地方已经没有多少气体可以让它吃了。事实上，类星体中心的黑洞吃完周围的物质之后，也会进入休眠状态。图片来源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.

　　银河系内黑洞的成因很好解释；但对于早期宇宙中那些几十亿个、甚至上百亿个太阳那么重的黑洞，问题就来了：这些黑洞是如何在不到10亿年的时间里长到那么大的？
难题：多大的“种子”才能足够快地形成超级巨型黑洞？
　　关于这些比几十亿个太阳还重的超级巨型黑洞的来源，当前有个公认的看法：极早期宇宙中，大块的物质云因为自身内部的不均匀而开始结团，最终形成一个个巨大的恒星。这些恒星的质量是太阳的几千倍以上，是所谓的“第一代恒星”。第一代恒星只要大约100万年就会结束生命，直接收缩为黑洞。这些黑洞被称为“种子黑洞”。
　　种子黑洞一方面会吃周围的东西，另一方面还会和其他种子黑洞并合，成为更大的黑洞。通过几亿年的吞食与并合，种子黑洞就可以成为几十亿个太阳那么重的巨型黑洞。
　　这个理论看似很自然，但需要通过严格的计算和数值模拟来验证。事实上，此前的很多模拟都遇到了不同程度的困难。为了能够在不到10亿年的时间里增长到几十亿个太阳那么重，要求种子黑洞就得有几万个太阳那么重。但是，如何形成这么重的种子黑洞呢？
　　有一个方案似乎可以解决这个问题，这个方案假定早期宇宙中可以形成10万个太阳那么重的气体团，直接坍缩为黑洞。而这个理论的缺点是：必须假定这样的气体团附近有明亮的星系，而这并不容易实现。因此，早期黑洞种子的质量问题，一直存在争议。
解决问题的新思路：“让子弹飞一会”
　　直到不久前，得州大学奥斯汀分校天文系与东京大学物理系的Hirano与其合作者在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文[1]。这篇论文宣布，新的数值模拟表明早期宇宙能以最自然的方式，让种子黑洞达到3万多个太阳那么重，然后再通过断断续续的吞食，在几亿年的时间里成长为20亿个太阳那么重的怪兽级别巨型黑洞。
　　他们假定早期宇宙的物质团中的气体粒子以超过声速的相对速度（大约40千米每秒）在暗物质中运动。这里说的“气体粒子”和“暗物质”是两种东西，气体粒子主要是我们熟悉的氢原子与氢分子，而暗物质到现在还不知道它们到底是什么，只知道它们弥漫在宇宙中，含量大约是我们熟悉的普通物质的5倍。
　　气体粒子像顽皮的孩子，暗物质像幼儿园的老师。气体粒子的高速度逃离与暗物质的引力束缚形成有效对抗，使自身不至于被中心暗物质团的引力轻易地束缚住一起。要注意，暗物质粒子也会结团，中心的暗物质团密度大，弥漫在周围的暗物质密度小。
　　Hirano等人的数值模拟表明，当宇宙年龄约为1亿年时，气体中心的暗物质团增长、合并为1000万个太阳那么重的大暗物质团（图3的A图），形成的引力足以将一些高速运动的气体束缚住、并形成长条状的气体分布（图3的B、C图）。
　　此前的模拟没有考虑气体粒子的高速运动，得到的暗物质团的质量只有大约10万个太阳那么重。这个模拟的要点就在于：假定气体超声速运动，使得暗物质团必须比之前模拟出的重得多，才可以将这些气体束缚住。换句话说，就是：“让子弹飞一会”。

图3：原始云团中的暗物质密度分布（A）与原恒星形成后的物质密度分布（B、C、D）。由图A可以看出，云团中心分布的暗物质（用黄色表示）形成了一个高密度中心区。图B与C表示暗物质已经将气体束缚在一起，图D表示气体内部形成了一个“原恒星”。图E到H分别表示原恒星形成后7万年、11万年、24万年与34万年后的恒星与气体系统的密度大小，不同深浅的白色区域表示不同的密度，从内到外依次为每立方厘米100万个粒子、10万个粒子与3万个粒子。图E到H中，红色表示电离氢成分比例超过50%的区域，粉色区域表示分子氢成分超过0.2% 的区域。图片来源：参考文献[1]

　　气体凝聚过程中产生的冲击波将这些气体加热到大约1万摄氏度，然后降温到大约8千摄氏度，然后气体内部温度一直降到100多摄氏度，气体内部的气体团重量达到26000个太阳（图3的D图），此时气体开始变得不稳定，开始迅速收缩，同时这个气体团周围的气体大量向它倾泻，以每年增加大约1个太阳重量的速度逐渐增大。这个过程使气体内部的温度再次升高，最后在气体中心形成一个原始阶段的恒星，即“原恒星”。
　　原恒星刚形成时质量很小，之后立即开始吃周围的气体，只用2千年就能使自身增长到50个太阳那么重（原恒星增长速度比其外围气体增长速度小得多）。7万年后（图3的E图），原恒星发出的高能紫外线将附近“纤维状”云团中的氢分子分解为氢原子。随着紫外线越来越强烈，氢原子被进一步分解为氢离子和电子，使得原恒星的两极方向上短暂地出现了电离氢为主的云团（图3的F图和G图，红色部分）；与此同时，“纤维”分离为一个个团块，团块到达中心的原恒星（图3的H图），被原恒星吃掉一部分。
　　通过这样的吞食方式，原恒星在形成后的30万年内增长到1万个太阳那么重的稳定“超巨星”（supergiant），平均每年吃掉的气体大约是0.04个太阳那么重。再经过大约1亿年，这个超巨星增长到34000个太阳那么重。
种子黑洞的形成与成长
　　34000个太阳那么重的恒星只要经过大约百万年时间，就会结束生命。由于质量太大，即使内部发生爆炸，也无法将其炸开，只会使自身直接坍缩为黑洞。于是，34000个太阳那么重的种子黑洞就形成了。
　　种子黑洞位于之前孕育出原恒星的一大团气体中间，因此可以不断吞食这些气体。种子黑洞越重，吃东西吃得越快，重量也就增长地越快。这项新研究的后续数值模拟表明：经过大约6.5亿年时间（此时宇宙的年龄为7.5亿年），这个种子黑洞就能增长到20亿个太阳那么重，成为一个超级巨型黑洞。

图4：超大质量黑洞（巨型黑洞）的计算机模拟图。黑洞使得附近一大块区域的光无法逃离，因此形成了一个黑色的空洞区域。周围的星光不同程度地被它的强引力场扭曲。图片来源：NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

　　此前的模拟虽然也可以产生几万到几十万个太阳那么重的种子黑洞，但用到了更多特殊的假定。这项新工作去掉那些特殊的假定，只假定气体粒子高速运动，使得暗物质团必须在非常大时（比此前模拟得到的数值大100倍）才可以让气体结成原恒星，然后就让原恒星在此后开始通过吞食周围气体而成为一个34000个太阳那么重的恒星，再收缩为一个同样重的种子黑洞。这项研究对于如何解决“形成足够大的种子黑洞”这个问题提供了一个新的思路。
参考文献：

• Hirano, Shingo; Hosokawa, Takashi; Yoshida, Naoki; Kuiper, Rolf. 2017, Science, 357, 1375
  
• Wu, Xue-Bing; Wang, Feige; Fan, Xiaohui, et al. 2015, Natur, 518, 512
  

来源：果壳网