那些胖出天際的黑洞是怎麼吃成這樣的？

最新 02-03

作者：王善欽南京大學，加州大學伯克利分校

編輯：明天

宇宙中有一種特殊的星系，因其中心的黑洞瘋狂吞食周圍物質而發出極強的光芒，但因其發光區域比普通的星系小得多，乍看之下更類似於恆星，因此被稱為「類星體」。人類通過觀測與分析，確認早期宇宙中的類星體中含有超級巨型的黑洞，它們的質量達到幾十億甚至上百億太陽那麼重。這些黑洞如何在宇宙年齡不到10億年時就長成如此巨大的規模，一直是一個有爭議的熱門課題。不久前發表於《科學》（Science）雜誌上的一項新研究，給出了一條新的線索[1]。

類星體與巨型黑洞

早在1960年，天文學家就發現了所謂的「類星體」，它們比星系小得多，遠遠看上去像是恆星，但亮度卻可以比整個銀河系還亮幾百倍以上。此後不久，就有理論天文學家解釋了類星體的發光原理：星系中心的巨型黑洞在吞食大量物質（氣體和塵埃），這些物質在落進黑洞的過程中相互摩擦、加熱，發出強烈的光芒，就如非洲草原被獅子吃掉的斑馬臨死前發出悲鳴。

圖1：類星體的藝術想像圖。氣體和塵埃形成一個圍繞著中心黑洞的環，兩極形成噴流。圖片來源：NASA/ESA

對於類星體的研究，最近一些年的一個重要進展是：發現了許多遠古時期的類星體。這些類星體在宇宙年齡僅10億年的時候就已經形成，並發出強光。比如，2015年，北京大學的吳學兵教授在《自然》（ Nature）上發表論文[2]，宣布發現一個宇宙年齡僅9億年時（紅移為6.3）的類星體 SDSSJ010013.02+280225.8。要知道，當前宇宙的年齡大約為138億年，9億年只是宇宙的幼年期。更令人驚訝的是，理論計算表明，這些類星體中心的黑洞的質量達到幾十億個太陽，甚至上百億個太陽那麼大。例如吳學兵教授發現的那個類星體里的黑洞，質量就達到120億倍太陽質量。作為對比，銀河系中心的黑洞的質量大約是400萬個太陽質量，只能算小字輩。

圖2：銀河系中心附近的一小塊區域的高清晰度圖。中心部分被放大到右上方，後者中心的橙色十字表示銀河系中心黑洞的位置，S2是一顆恆星，圍繞著中心黑洞旋轉。科學家們使用歐洲南天天文台（ESO）的甚大望遠鏡（VLT）持續觀測了大約20年，發現多顆繞著共同中心旋轉的恆星，根據它們的軌道，計算出銀河系中心的黑洞質量大約是400萬個太陽那麼重。銀河系中心的黑洞已經進入休眠狀態，因為它周圍足夠近的地方已經沒有多少氣體可以讓它吃了。事實上，類星體中心的黑洞吃完周圍的物質之後，也會進入休眠狀態。圖片來源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.

銀河系內黑洞的成因很好解釋；但對於早期宇宙中那些幾十億個、甚至上百億個太陽那麼重的黑洞，問題就來了：這些黑洞是如何在不到10億年的時間裡長到那麼大的？

難題：多大的「種子」才能足夠快地形成超級巨型黑洞？

關於這些比幾十億個太陽還重的超級巨型黑洞的來源，當前有個公認的看法：極早期宇宙中，大塊的物質雲因為自身內部的不均勻而開始結團，最終形成一個個巨大的恆星。這些恆星的質量是太陽的幾千倍以上，是所謂的「第一代恆星」。第一代恆星只要大約100萬年就會結束生命，直接收縮為黑洞。這些黑洞被稱為「種子黑洞」。

種子黑洞一方面會吃周圍的東西，另一方面還會和其他種子黑洞併合，成為更大的黑洞。通過幾億年的吞食與併合，種子黑洞就可以成為幾十億個太陽那麼重的巨型黑洞。

這個理論看似很自然，但需要通過嚴格的計算和數值模擬來驗證。事實上，此前的很多模擬都遇到了不同程度的困難。為了能夠在不到10億年的時間裡增長到幾十億個太陽那麼重，要求種子黑洞就得有幾萬個太陽那麼重。但是，如何形成這麼重的種子黑洞呢？

有一個方案似乎可以解決這個問題，這個方案假定早期宇宙中可以形成10萬個太陽那麼重的氣體團，直接坍縮為黑洞。而這個理論的缺點是：必須假定這樣的氣體團附近有明亮的星系，而這並不容易實現。因此，早期黑洞種子的質量問題，一直存在爭議。

解決問題的新思路：「讓子彈飛一會」

直到不久前，得州大學奧斯汀分校天文系與東京大學物理系的Hirano與其合作者在《科學》（Science）雜誌上發表了一篇論文[1]。這篇論文宣布，新的數值模擬表明早期宇宙能以最自然的方式，讓種子黑洞達到3萬多個太陽那麼重，然後再通過斷斷續續的吞食，在幾億年的時間裡成長為20億個太陽那麼重的怪獸級別巨型黑洞。

他們假定早期宇宙的物質團中的氣體粒子以超過聲速的相對速度（大約40千米每秒）在暗物質中運動。這裡說的「氣體粒子」和「暗物質」是兩種東西，氣體粒子主要是我們熟悉的氫原子與氫分子，而暗物質到現在還不知道它們到底是什麼，只知道它們瀰漫在宇宙中，含量大約是我們熟悉的普通物質的5倍。

氣體粒子像頑皮的孩子，暗物質像幼兒園的老師。氣體粒子的高速度逃離與暗物質的引力束縛形成有效對抗，使自身不至於被中心暗物質團的引力輕易地束縛住一起。要注意，暗物質粒子也會結團，中心的暗物質團密度大，瀰漫在周圍的暗物質密度小。

Hirano等人的數值模擬表明，當宇宙年齡約為1億年時，氣體中心的暗物質團增長、合併為1000萬個太陽那麼重的大暗物質團（圖3的A圖），形成的引力足以將一些高速運動的氣體束縛住、並形成長條狀的氣體分布（圖3的B、C圖）。

此前的模擬沒有考慮氣體粒子的高速運動，得到的暗物質團的質量只有大約10萬個太陽那麼重。這個模擬的要點就在於：假定氣體超聲速運動，使得暗物質團必須比之前模擬出的重得多，才可以將這些氣體束縛住。換句話說，就是：「讓子彈飛一會」。

圖3：原始雲團中的暗物質密度分布（A）與原恆星形成後的物質密度分布（B、C、D）。由圖A可以看出，雲團中心分布的暗物質（用黃色表示）形成了一個高密度中心區。圖B與C表示暗物質已經將氣體束縛在一起，圖D表示氣體內部形成了一個「原恆星」。圖E到H分別表示原恆星形成後7萬年、11萬年、24萬年與34萬年後的恆星與氣體系統的密度大小，不同深淺的白色區域表示不同的密度，從內到外依次為每立方厘米100萬個粒子、10萬個粒子與3萬個粒子。圖E到H中，紅色表示電離氫成分比例超過50%的區域，粉色區域表示分子氫成分超過0.2% 的區域。圖片來源：參考文獻[1]

氣體凝聚過程中產生的衝擊波將這些氣體加熱到大約1萬攝氏度，然後降溫到大約8千攝氏度，然後氣體內部溫度一直降到100多攝氏度，氣體內部的氣體團重量達到26000個太陽（圖3的D圖），此時氣體開始變得不穩定，開始迅速收縮，同時這個氣體團周圍的氣體大量向它傾瀉，以每年增加大約1個太陽重量的速度逐漸增大。這個過程使氣體內部的溫度再次升高，最後在氣體中心形成一個原始階段的恆星，即「原恆星」。

原恆星剛形成時質量很小，之後立即開始吃周圍的氣體，只用2千年就能使自身增長到50個太陽那麼重（原恆星增長速度比其外圍氣體增長速度小得多）。7萬年後（圖3的E圖），原恆星發出的高能紫外線將附近「纖維狀」雲團中的氫分子分解為氫原子。隨著紫外線越來越強烈，氫原子被進一步分解為氫離子和電子，使得原恆星的兩極方向上短暫地出現了電離氫為主的雲團（圖3的F圖和G圖，紅色部分）；與此同時，「纖維」分離為一個個團塊，團塊到達中心的原恆星（圖3的H圖），被原恆星吃掉一部分。

通過這樣的吞食方式，原恆星在形成後的30萬年內增長到1萬個太陽那麼重的穩定「超巨星」（supergiant），平均每年吃掉的氣體大約是0.04個太陽那麼重。再經過大約1億年，這個超巨星增長到34000個太陽那麼重。

種子黑洞的形成與成長

34000個太陽那麼重的恆星只要經過大約百萬年時間，就會結束生命。由於質量太大，即使內部發生爆炸，也無法將其炸開，只會使自身直接坍縮為黑洞。於是，34000個太陽那麼重的種子黑洞就形成了。

種子黑洞位於之前孕育出原恆星的一大團氣體中間，因此可以不斷吞食這些氣體。種子黑洞越重，吃東西吃得越快，重量也就增長地越快。這項新研究的後續數值模擬表明：經過大約6.5億年時間（此時宇宙的年齡為7.5億年），這個種子黑洞就能增長到20億個太陽那麼重，成為一個超級巨型黑洞。

圖4：超大質量黑洞（巨型黑洞）的計算機模擬圖。黑洞使得附近一大塊區域的光無法逃離，因此形成了一個黑色的空洞區域。周圍的星光不同程度地被它的強引力場扭曲。圖片來源：

NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

此前的模擬雖然也可以產生幾萬到幾十萬個太陽那麼重的種子黑洞，但用到了更多特殊的假定。這項新工作去掉那些特殊的假定，只假定氣體粒子高速運動，使得暗物質團必須在非常大時（比此前模擬得到的數值大100倍）才可以讓氣體結成原恆星，然後就讓原恆星在此後開始通過吞食周圍氣體而成為一個34000個太陽那麼重的恆星，再收縮為一個同樣重的種子黑洞。這項研究對於如何解決「形成足夠大的種子黑洞」這個問題提供了一個新的思路。