年幼的宇宙是怎么养育出大胖子黑洞的?
发布网友
发布时间：2022-05-05 01:51
共1个回答
热心网友
时间：2022-06-28 09:13
恒星级质量黑洞的形成与大质量恒星有关。中等质量黑洞来源可能是恒星级质量黑洞的并合或恒星级质量黑洞通过吞噬气体成长而形成，超大质量黑洞是通过更小质量黑洞的碰撞并合，以及更小质量的黑洞吞噬气体尘埃而成。
天文学家们根据质量的不同将黑洞分类成：恒星级质量黑洞（质量从几倍到几百倍太阳质量）、超大质量黑洞（质量大于几百万倍太阳质量）和介于恒星级和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞三大类。目前，恒星级质量黑洞和超大质量黑洞都被观测到，唯独中等质量黑洞的观测成果甚少。
一般认为，恒星级质量黑洞的形成与大质量恒星有关。它演化到晚期后，核心的燃料用尽，所产生的能量无法抵挡自身物质向内的引力，会发生塌缩，并以超新星爆炸结束自己的生命。当剩余的核心质量大于3.2倍太阳质量时，将会在引力作用下继续塌缩形成黑洞。
面对中等质量黑洞缺乏观测证据的现状，天文学家们推测，中等质量黑洞的来源有三种可能机制：恒星级质量黑洞的并合或恒星级质量黑洞通过吞噬气体成长而形成，宇宙大爆炸过程中形成的原初黑洞，以及经星团历练后的大质量恒星塌缩而成。对于第三种可能，科学家认为在星团中，很多大质量恒星可能持续损失能量和转动的能力，因而慢慢移动到星团的中心，它们之间相互碰撞并合形成更大质量的恒星，直至形成质量在几百倍至几千倍太阳质量的恒星，并最终塌缩形成中等质量黑洞。
黑洞吞噬物质在宇宙中是常见的。而黑洞并合带来成长，也不难理解。LIGO探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件，让更小的黑洞借助并合成长为更大的黑洞；几乎在每个大质量星系的中心都存在一个超大质量黑洞，宇宙中也不乏星系并合的观测证据，星系并合的后期，便是两者中心超大质量黑洞的并合。
黑洞吞噬周围气体是有节制的。黑洞在吸积吞噬周围物质时，物质下落释放的引力能会转化为辐射，当吞食的物质累积到一定程度，向外的辐射压会阻止物质的进一步下落。当天体作用于一个粒子上的引力和辐射压刚好平衡时，对应的临界吸积率称*丁顿吸积率。一般情况下，爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大效率。
观测发现，在宇宙早期，比如宇宙大爆炸之后10亿年内，就存在质量为百亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这令人疑惑，如果说它是从一个婴儿（种子）黑洞长大的，这个婴儿黑洞得多大？婴儿黑洞如何吞噬周围气体尘埃食物，才能长成实际观测到的大胖子呢？
最自然的一类种子黑洞要寻根于宇宙大爆炸后几亿年左右形成的第一代星系。它们中的大质量恒星快速演化到晚期，发生超新星爆炸，核心残留的天体便是质量约几百倍太阳质量的黑洞。
但如果假设种子黑洞是这类恒星级质量黑洞，鉴于质量增长的速度受爱丁顿吸积率*，那么即使种子黑洞一直以最快速度成长，质量增长到十亿、百亿倍太阳质量所需要的时间也远远超过它的年龄。这就带来了所谓的黑洞成长时间危机问题。为了解决这个问题，缩短超大质量黑洞成长所需要的时间，天文学家们从理论上提出了多种可能方案，其中有三种广为接受。
其中一种理论中，科学家假设种子黑洞仍然是小质量的恒星级黑洞，但是成长速度更快，以超过爱丁顿吸积率的速度吃东西。理论研究发现，要想维持超爱丁顿吸积，需要保证种子黑洞深居足够致密的气体中，从而光子无法有效地辐射出去。但是试想，种子黑洞所处的第一代星系中，新形成的恒星还不稳定，会吹出剧烈的星风；演化到晚期的恒星可能进入超新星爆炸阶段，产生强烈的冲击波。在如此不太平的环境中，能否维持那一方致密气体包裹住种子黑洞，让它能保持超爱丁顿吸积直至成长为超大质量黑洞，仍然是个未知。
在另一种方案中，科学家认为宇宙早期就存在中等质量黑洞，种子黑洞生来就更胖，而它们源于气体云块的直接坍缩。这一方案的重点在于，气体云块无法有效冷却，因而抑制了气体云的碎裂和后续的恒星诞生，导致最后直接引力塌缩为中等质量黑洞。在真实的早期宇宙中，具有这种性质的气体云块确实可能存在——一团主要成分为氢和氦的气体云，沐浴在紫外光子的海洋中。而针对黑洞吞噬的气体供给方面，近日上海天文台沈俊太的研究提供了一种可能，旋涡星系的盘状结构容易受到自身动力学不稳定性或者星系间的潮汐作用的影响而形成星系棒；早期星系演化中星系棒能够驱使足够多的气体流入星系中心，为形成超大质量黑洞提供了潜在的原料。
不过也有科学家认为，作为种子黑洞的中等质量黑洞，源于经星团历练后的大质量恒星的塌缩。为了缓解时间危机，后两种机制没有试图加快种子黑洞通过吞噬气体来成长的速度，而是理论上预言宇宙早期存在中等质量黑洞作为种子黑洞。在上述三种理论中，第二种理论的预言与一些观测结果相符，因此该理论的受关注度越来越高。
