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超大质量黑洞是如何形成的?
2022-09-22

人类首次证实黑洞与中子星碰撞

科学猜想:黑洞是如何形成的?

超大质量黑洞虽名为“黑”洞,但它们其实十分明亮。

新浪科技讯 北京时间8月26日消息,据国外媒体报道,宇宙中有一些巨大的黑洞,有些甚至比太阳大数十亿倍,但我们对这些巨型黑洞的形成和演化还几乎一无所知。不过,最新的望远镜和太空技术或许能为我们提供一条研究这些庞然巨物的新途径。

在海豚座与天马座正中间,有一架“风车”正在缓缓地转动。数十亿年来,UCG 11700星系的旋臂一直在平静地旋转,不曾与其它星系相撞或合并,因此没有像许多星系那样发生变形。然而,尽管这个星系看上去赏心悦目,它的正中却蛰伏着一头猛兽——那里有一个超大质量黑洞,宇宙中最神秘的天体之一。

Virgo等天文台可以探测到黑洞产生的时空涟漪。

一般的黑洞质量约为太阳的四倍,但超大质量黑洞则可能达到太阳的成百上千万倍、乃至数十亿倍之多。科学家相信,几乎每个大型星系中央都有一个超大质量黑洞,只是无人知晓它们究竟是如何形成的。

在这方面,UCG 11700或许能助我们一臂之力。

“我研究的理想星系是你能想到的最美丽、最完美的螺旋星系,”牛津大学研究超大质量黑洞的初级助理研究员贝基·斯莫瑟斯特表示,“这些美丽至极的星系将帮助我们破解超大质量黑洞的成长之谜。”

黑洞的密度极大,连光线都无法从中逃脱,因此研究起来尤为困难。但一些新技术可以帮助我们分析超大质量黑洞对周围星际天体造成的影响、甚至是它们产生的时空涟漪,为我们提供新的线索。

我们对传统黑洞的形成和生长机制已经了解得很充分了。恒星耗尽燃料后死亡,发生超新星爆炸,然后向内坍缩,密度也随之变得极大、连光线都无法逃脱。爱因斯坦在广义相对论中预言了黑洞的存在,至今已过去了将近一个世纪。

在通俗文化中,黑洞往往被描述为极其黑暗、极其饥渴的形象;它们会在宇宙中快速移动,将沿途的一切都尽数吞噬,不断长得越来越大、越来越贪婪。因此人们难免会认为,超大质量黑洞不过是最饥渴、最古老的一类黑洞而已,就这么简单。

但在现实中,黑洞其实有些名不符实。它们吸食周围物质的效率其实低得惊人,即使在物质密集的星系中央也是如此。事实上,坍缩后的恒星生长得十分缓慢,根本不可能通过吸收新物质增长到超大质量黑洞。

“假设第一批恒星是宇宙大爆炸之后2亿年左右形成的,”斯莫瑟斯特指出,“它们坍缩之后,还有135亿年时间成长到太阳质量的50亿倍。如果只靠吸食物质,这段成长的时间也太短暂了。”

虽然宇宙在不断膨胀,但星系相撞其实颇为常见。

更令人不解的是,超大质量黑洞早在宇宙的“婴儿期”就已经存在了。遥远的类星体是夜空中最明亮的天体之一,它们其实就是被古老的超大质量黑洞点亮的濒死星系核。这些巨型黑洞至少在宇宙仅有6.7亿年时就已存在于世了。已知最古老的星系也是在这一时期形成的。

虽然黑洞的核心对外界观察者而言将永远是个谜,但超大质量黑洞的光芒其实比整个星系的恒星加起来还要耀眼,并且在吞食周边物质时,它们还可能“打嗝”,释放出紫外线辐射。

黑洞的球形边界名叫“事件视界”。在这个球体之内,任何光线、能量和物质都无法逃脱。空间与时间在其中层层折叠,常用的物理法则在这里也不起作用。但黑洞在转动时,还会将事件视界周围的物质连带着一同旋转,成为一个飞速转动、温度极高的圆盘。类星体中吸积盘的温度可超过1千万摄氏度,释放出极其明亮的电磁辐射。

“黑洞是宇宙中最有效、最高效的引擎,”巴黎天体物理研究所的黑洞研究员玛尔塔·沃伦特利指出,“它们将质量转化为能量的效率高达40%。相比之下,化石燃料的燃烧、甚至恒星的能量利用率都只有黑洞的零头而已。”

超大质量黑洞吸引科学家的不仅是它们的超高能量效率。它们的形成与演化显然与星系的发育过程密切相关,甚至关乎整个宇宙的历史和结构。如果能解开这些宇宙巨物之谜,科学家对宇宙的了解也将向前迈进一大步。

能量释放只是黑洞“泄露”自身秘密的众多方式之一。黑洞与其它密度稍低一些的天体(如中子星)合并或相撞时会形成时空涟漪,即我们所说的引力波。引力波以光速在宇宙中传播,2015年首次在地球上被探测到。自此之后,位于美国的LIGO和意大利的Virgo天文台捕捉到了好几次由这类相撞事件创造的时空涟漪。

宇宙的年龄还不够大,不足以让黑洞仅凭吸食周边物质成长为超大质量黑洞。

不过,虽然这两座天文台的探测仪器长达数公里,却也只能探测到较小型黑洞产生的引力波。

“在LIGO探测到的合并事件中,黑洞质量最多只有太阳的150倍。”马克斯普朗克天文学研究所星系核研究组带头人娜丁·纽梅耶指出,“目前,所谓中等质量黑洞(即质量约为太阳1万倍的黑洞)的相关数据还较为欠缺。而这类黑洞其实有可能成为孕育超大质量黑洞的种子。”

纽梅耶表示,中等质量黑洞可能是早期宇宙中的巨型气体云或恒星相互碰撞时形成的。在早期宇宙冲突频发的环境中,这些中等质量黑洞还可能继续与彼此相撞,同时快速吸收周边物质,从而迅速增长到了超大质量规模。

不过,这套中等质量黑洞理论也存在一定问题。早期宇宙又小又炽热,气体云一直沐浴在充足的辐射中,按理说能量应该十分充足,不至于发生坍缩。并且即使在稠密的早期宇宙中,黑洞吸收物质的速度也同样会受到物理法则的限制。

沃伦特利表示,目前每一种对超大质量黑洞的解释都存在“瓶颈和缺陷”,因此暂无定论。

“这些理论都提及了我们所谓的‘动态过程’,即一个黑洞可能由多颗恒星形成、而不仅仅是一颗恒星,但这些过程只有在限定条件下才能发生,”沃伦特利指出,“此外还有‘原始黑洞’理论,认为部分黑洞也许早在恒星出现前便已经存在了。不过这还完全是一片未知领域,没有任何观测结果作为佐证。”

沃伦特利表示,自己比较欣赏动态过程理论,但也承认按照该理论,黑洞质量很难超过太阳的1000倍。

“你想想,当宇宙年龄仅有10亿年时,类星体的质量就已经高达太阳的10亿倍了。如此庞大的数字是很难达到的。”沃伦特利认为,超大质量黑洞形成的真相还尚待揭开,“我们向下挖掘得越深,发现的问题就越多。我们一定是漏了什么关键之处。”

好在最新一代的观测仪器已经开始弥补这方面的空缺了。Virgo、LIGO等天文台正在为我们提供越来越详细的“人口统计学信息”,包括黑洞的“体型”、年龄和位置等等。

但要想获得超大质量黑洞的数据,研究人员还要借助规模更大的探测器才行。

2030年起,NASA和欧空局将联合发射激光干涉仪太空天线探测器(简称LISA)。该探测器由三枚卫星组成,呈三角状分布,每边长250万公里。该卫星阵列的工作原理与LIGO和Virgo类似,但规模更庞大,因此可以探测到超大质量黑洞发出的引力波,这是现有技术所无法企及的。

已有线索显示,地球正在受到超大质量黑洞产生的引力波的冲刷。2021年初,天文学家宣布在45颗脉冲星发出的辐射中发现了一些微小的偏差。虽然结果尚待确认,但研究人员认为,这些偏差可能是由超大质量黑洞产生的“引力波背景”造成的。

但还有一些更直接的方法可以帮助我们看到黑洞。事件视界望远镜最近首次拍到了黑洞的照片,脱下了这类天体的神秘外衣,进一步揭露了黑洞的性质、以及黑洞的引力和磁性对所在星系的影响。天体物理学家还可以对星系核心黑洞附近恒星的运动轨迹进行追踪,借此推断出这些巨型天体的相关信息。

这类观测活动大多由地面望远镜开展,它们都使用了所谓的“自适应光学”技术。观察者通过分析明亮的恒星(或人造激光束)来衡量影响图像质量的大气畸变。计算机控制信号再对望远镜镜片的形状进行微调,从而修正这些畸变。这样一来,我们不仅可以精确地观测到数十亿光年之外的星系核心,还能获得大量超大质量黑洞的相关数据。

纽梅耶是首批使用自适应光学技术研究星系核的科学家之一。“很难想象,从地球上观测的分辨率竟然能超过哈勃太空望远镜。”纽梅耶表示,“我一直在研究特定黑洞的质量,发现星系质量与黑洞质量之间有着紧密的相关性:星系质量越大,中央超大质量黑洞的质量就越大。这些天体成长的步调有时十分一致。”

虽然存在这种相关性,但并没有明确的证据证明,大型星系一定会生成大型黑洞,反之亦然。两者之间的确存在关联,但这种关联的本质仍然是个谜。

有一种解释认为,这可能与星系相撞有关。可观测宇宙范围内大约有2万亿个星系,其中大多数都在加速远离彼此,但星系仍有可能相撞,其中央的大型黑洞也会随之合并成一个更大的黑洞。有些科学家认为,那些大得可怕的超大质量黑洞也许就是这样形成的。

当相对较小的黑洞相撞时,会在短短一瞬间释放出巨大能量,发出的光芒耀眼到太空中的一切都显得黯然失色。而如果两个超大质量黑洞相撞,绝对是宇宙中最灾难性的事件之一。

不过,虽然科学家怀疑超大质量黑洞之间也会合并,但由于黑洞动力学方面的一个问题,这种情况发生的概率也许很低。

随着两个即将相撞的黑洞越靠越近,它们会围绕彼此旋转得越来越快。但当大型黑洞之间的距离达到一个秒差距(3.26光年)时,其轨道速度便会将引力抵消掉,导致它们接近彼此的速度大大降低,就宇宙目前的年龄来看,根本等不到真正合并的那一天。

尽管如此,物理学家还是相信这类合并事件的确会发生,只是需要一套新理论来解决所谓的“最后一个秒差距问题”。也许有其它某种力量或能量,可以将两个围绕彼此旋转的黑洞拉拢到一起。

宇宙中到处都是通过合并形成的星系,我们的银河系就是其中之一,说明的确会发生这种事件。当星系相撞时,两个星系中的恒星、气体云、暗物质和黑洞都会发生相互作用,致使原本的螺旋结构遭到破坏。即使两个星系只是擦肩而过,也会对双方的结构造成影响,因此很容易被我们发现。

但这也意味着,像UCG 11700这样的星系中央的超大质量黑洞无法通过星系相撞来解释,因为该星系的形状太过完美,说明它从未与其它星系近距离接触过。

“只有极少数的星系自诞生以来便一直‘孑然一身’、从未接触过其它星系。”贝基·斯莫瑟斯特指出,“可以确定的是,这些星系中央的黑洞绝不是通过与其它黑洞合并形成的。”

这说明,它们一定有着另一种形成途径。

斯莫瑟斯特采用了倒推法,想弄清这些黑洞开始时需要有多大、才能增长到如今的大小。模型显示,形成于宇宙初期、质量介于太阳1千至10万倍之间的黑洞机会最大。这一范围正好与纽梅耶的“黑洞种子论”相符。不过,这个尺寸的黑洞不太可能通过恒星坍缩形成。

还有一种理论认为,超大质量黑洞可能由暗物质直接形成,天体物理学家正在探索这种可能性。暗物质是一类理论上存在的粒子,虽然可以与引力发生相互作用,但对于光线和电磁波则完全隐形,我们对它的了解也少得可怜。如果将黑洞和暗物质这两大谜团结合在一起,只会进一步增加挑战性。

“我们不知道的还有很多,”斯莫瑟斯特指出,“如果直接得出结论,称黑洞都是由超新星爆发形成的,那未免太傲慢了。也许真正的解释我们还根本没有想到过呢。我期待着宇宙有朝一日给我们一个惊喜,对于整个科学界,那都将是重要的一天。”

接下来,更先进的观测仪器即将登场。NASA计划于今年秋天发射詹姆斯·韦伯太空望远镜,其规模和探测能力都达到了空前的水平,必定会成为研究超大质量黑洞的宝贵工具。不仅如此,LISA天线发射升空后,也将为科学家提供凭借引力波观测超大质量黑洞的新途径。

其他科学家则在着手绘制包含成百上千万个星系的位置、运动、形状、大小等信息的详细分布图,也将为观测人员和理论学家提供重要助力。

“该领域的工作节奏着实惊人,”斯莫瑟斯特表示,“我们对黑洞的研究仅开展了一百年左右,但与宇宙140亿年的历史相比,根本不足以揭开所有谜团。每次抛出一个问题,都能得出至少五个答案。”

纽梅耶也赞同斯莫瑟斯特的观点,认为黑洞也许会给我们一个巨大的惊喜,远超所有人的意料之外。

“在过去的一个世纪里,我们取得了一系列技术发展,使得这些发现成为了可能,”纽梅耶指出,“我们还有许多已知问题想要解决,但也想了解一些连想都不曾想过的新事物。我觉得这真的很棒。”