超大质量黑洞是如何形成的

天文学家有了一个新模型来描述这些无法想像的原始宇宙怪兽的起源。

超大质量黑洞——一个质量可达数亿至数十亿个恒星的天体——是现代天体物理学最深奥的秘密之一。它们潜伏在大多数大型星系的核心位置，包括我们的银河系。鉴于黑洞在宇宙中无处不在，所以它们在宇宙形成和演化过程中很可能起到了至关重要的作用。但是它们的质量究竟是如何变得如此之巨大，长久以来一直困扰着全世界的理论物理学家。

最合乎情理的解释——这些可怕的东西在过去的数十亿年里通过吞噬大量的气体来获得如此大的质量——这个想法如今也被认为是错误的。最近的观测发现，仅仅在大爆炸8亿年之后，拥有数十亿太阳质量的黑洞就存在了。所以，这就出现了一些谜题：它们是如何那么迅速地变成那么大质量的？大多数天体物理学家认为，超大质量黑洞肯定是起源于小的“种子”黑洞。他们只是在一个种子有多小这个问题上没有达成共识。一种较为传统的理论思想认为“种子”黑洞应该很大——有可能达到数千至上万个太阳质量；而另一种理论则认为“种子”可能很小——有可能不及一百个太阳质量。

两个阵营都认同的一个事实是，黑洞是贪婪的捕食者：只有在它旁边有物质开始堆积之后，引力才能把如此多的气体塞进它的胃里，形成又白又热的圆盘，这些圆盘发出强辐射并且把再次即将到来的气体推向远方，这就有效地切断了黑洞的食物供应。这个极限叫做爱丁顿极限，并且它被认为是严重阻碍任何黑洞吞噬物质和膨胀的原因。用这种小种子模型的好处就在于，这些次中重量级黑洞相对好形成；缺点是当黑洞从次中重量级迅速变为超重质量级时，必须更多地考虑到爱丁顿限制，并且需要依靠各种各样的可能性来避开它的局限性。相比之下，大种子模型，更符合给超大质量黑洞一个巨大质量的开始以避开大量吞噬气体所带来的爱丁顿极限——但是它们的质量越大相应地就越难以形成。巨大的气体云不仅可以坍塌形成大质量黑洞，还能破碎成团块，这些团块会形成行星团，而非大质量黑洞。

无论支持大种子模型还是小种子模型，“都有很多理论尝试去解释超大质量黑洞的形成和存在，然而它们都不能给出一个令人满意的解释，”东京大学的天体物理学家吉田直树说。吉田直树是大种子的理论的支持者，他在发表于《自然》杂志的最新研究中揭示了他们是如何使早期宇宙产生并形成数量巨大的超大质量黑洞。他的“合理解释”是在宇宙爆炸后，用高速流动的气体作为黑洞质量迅速增长的关键催化剂。具体来说，它是依赖于急速上升的气体和暗物质之间的相互作用，这种暗物质是一种神秘无形的物质，它似乎是星系之间的引力胶。

吉田教授和他来自于德克萨斯大学奥斯汀分校和德国图宾根大学的合作者一起，运用电脑模拟技术，通过赋予程序关于宇宙学的参数（例如暗物质的密度）并重新创造了早期宇宙的条件，这些参数是天文学家们从早期宇宙组成的测量数据中计算出来的。吉田教授说“我们将尝试使这个模拟状态尽可能的接近我们实际观察到状态并且使模拟宇宙随着时间的推移发生演变。”

根据这个团队对模拟宇宙的研究，在宇宙中的某些地方，来自暗物质的能量会使高速流动的气体中的原始氢和氦在大爆炸中留下。在爆炸之后，研究者们最近发现，这些早期的气体在一些地区加速并达到一种“令人不可思议”的速度—或者像吉田教授那样称它是“超快风”。吉田教授说“你可以这样设想，你很难捕捉到它们，因为这种气体移动的很快。”他说，当你把手放在消防管的喷口处，你的手会被那股力冲回来。“唯一能够使这种超强风停止的方法是创造出足够强的引力。”他这样说道。这些研究者们在早期宇宙中每隔三十亿光年的广阔区域中计算了这股引力，那里有足够量的暗物质提供引力来将这些气体收入囊中——就像有足够的力量使消防管道里的水向相反的方向推回去一样。作用在气体和暗物质之间的引力形成了一团巨大的气体云并且会阻止小行星的形成。

这种模拟气体之后塌缩成一个巨大的星体，这个星体之后继续吞噬更多的气体直到它达到太阳质量的三万四千倍。这个假想的大质量恒星只有在其成分只有氢和氦的情况下才能存在——在任何恒星发生超新星爆炸以前，会围绕着早期宇宙的两种元素气体产生更重的元素，例如碳，氮和氧。之前曾经有人提出过大质量恒星的想法，但是这是第一个来模拟出它的团队。“我们的计算机模拟结果显示，这种现象确实发生了，并且这种巨大的星体确实可以形成”吉田教授说。当星体达到一定的质量后，会发生坍缩，超大质量的黑洞种子由此产生；他说“黑洞种子就这样理所当然的产生了，这就是为什么我认为这是最终的答案，至少是黑洞起源这个问题的答案”但是并不是所有人都同意这个观点

其他支持大种子假说的科学家们对于这些种子最初是如何形成的持有不同的意见。例如最新刊登于《自然天文学》的研究中写道：这些种子不是通过暗物质产生的，而是通过普通星体在星系中的某些行为产生的。在这种情况下，恒星发出的紫外线可以阻碍行星形成巨大的气体云，这使得它可以存在足够长的时间来直接坍缩成一个拥有十万倍太阳质量的黑洞。

约翰.怀兹，乔治理工学院的天文学家，同时他也是《自然天文学》研究的合著者，他认为这项研究的出现是这个领域向前发展的重要一步，因为吉田和他的合作者是第一个模拟出早期气体运动对黑洞造成的影响。但是约翰教授说这个模拟并不影响他自己的理论。他说“我认为有足够多的理论可以解释超大质量的黑洞的形成，这只是其中一种方法而已，并且我认为它完全是有可能的。”而且他承认在早期宇宙很难找到移速如此之快的气体。“这些气体的速度取决于它们位于宇宙中的哪个位置，所以这种现象实际概率很低。”根据吉田教授在早期宇宙中的研究，在早期宇宙中遇到移速如此快的风穿过一个区域的概率有百分之零点三。相反，吉田和他的合作者注意到，巨型气体云直接接近星系产生星体的地方都很少见。吉田说“这种事件发生的概率是难以确定的。”

格雷格·布莱恩，哥伦比亚大学的天体物理学家，同时也是《自然天文学》的资深作家也赞同这一项新的发现。他说，“这不是一个最终的答案，但是是迄今为止研究黑洞形成这种特殊模式的最合理的理论。”但是，他有一点担心吉田的计算机模拟结果到底能不能模拟一系列星体形成的模型。对于一个黑洞的形成来说，一堆早期气体需要聚集到一个很小的区域，如果这些气体分散开形成一系列星体，那么将无法形成大质量黑洞。他说，如果模拟条件下的环境发生了哪怕一丁点的变化，它将无法产生巨大质量的种子。格布莱恩补充道“另一方面，就像我相信其他模型那样，我相信吉田他们的模型。”

弗尔维奥·米利亚，亚利桑那大学的一位天体物理学家，表示不看好这个理论。“作者需要依靠很多未知的物理规律，就像所有那些大质量种子形成假设，或是这些物体以非常高的速率成长的假设，”他说。“他们需要对暗物质的行为去做出具体的假设，但是我们甚至根本不知道这是什么东西。”

为了根本地解决这些超大质量野兽是如何形成的这个问题，这些科学家们都提出未来可以使用先进的望远镜观察这些种子的观点。这种想法的可行性并不遥远。现在有些举措已经实施，例如欧洲航天局计划在2028年发射雅典娜号，目的是探测这些超级质量物质x射线的放射。

NASA即将迎来的詹姆斯韦伯太空望远镜，计划2019年3月至6月升空，也可以提供它研究宇宙第一批行星和星系所需要的观测能力。

“令人激动的事情就是接下来的几年，会有一些验证这些理论的方法，因为人们会找到一个彻查整个天空中这些物质的方法，”米利亚说道。至于为什么争论如此之多，他补充道：“因为他们提出的是和我们已知的宇宙环境不一样的东西。”