小小黑洞如何成长为超级“怪兽”

Shea

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谢懿，科学松鼠会成员，天文学博士，副教授，目前在南京大学天文与空间科学学院任教。此外，还担任天文科普杂志《天文爱好者》编委，以及一些科普文章的编译者。个人签名：把天文学带给大众。

（文/ Stephen Battersby）它们是宇宙中的大黑斑。不仅仅是黑洞，而是巨大无比的黑洞，质量可达太阳的数十亿倍。它们无处不在，甚至在遥远宇宙的黎明之光中也隐约可见。

就像散布在我们银河系中的那些较小的黑洞一样，超大质量黑洞也拥有扭曲空间的全套奇异特性：它们会吞噬所有落入其中的物质和光，以及那些悲惨的求救声。不过，超大质量黑洞还保守着另一层秘密。我们知道，质量数倍于太阳的小黑洞，诞生于大质量恒星发生超新星爆发时的核心坍缩，但没有人能够解释那些超大质量黑洞从何而来。

黑洞通过吞噬周围的物质而逐渐长大，那些物质会在黑洞周围聚集成盘，摩擦生热到极高的温度，发出耀眼的光芒，产生磁场驱动物质在喷流中向外疾驰。图片来源：psu.edu

我们曾经以为自己可以解释。我们一度认为，超大质量黑洞是从非常小的种子黑洞那里，通过吞噬周围的气体而缓慢成长起来的。但最近的观测表明，这绝非是故事的全部。对于这些远古巨兽，我们需要一个全新的解释。

无论是什么造就了超大质量黑洞，它都必须打造出一支“军团”才行。对恒星在强引力作用下高速运动所作的观测表明，在几乎所有的大型星系中心，包括我们银河系的中心，都有一个巨大的黑洞。银河系中央黑洞的质量大约是太阳的400万倍。而在大约5000万光年以外的巨椭圆星系M87的中心，你会发现一个质量超过太阳60亿倍的黑洞。它的“事件视界”，也就是任何物质都一去不复返的那条边界，要比海王星的轨道大将近5倍。

在更遥远的地方，我们甚至看到了超大质量黑洞更为剧烈的活动迹象。被称为类星体（quasar）的一类异常活跃的星系，中心都有一个极为明亮的光点，亮度往往超过周围所有千百亿颗恒星的总和。许多类星体还会释放出X射线和γ射线爆发，并以99%的光速喷射出巨大的物质喷流。这正是巨型黑洞贪婪进食的迹象。盘旋着落向黑洞的气体通过摩擦生热，发出白亮的光芒，并且产生磁场驱动物质在喷流中向外疾驰。

超大质量黑洞的故事原本始于大爆炸后几千万年，当时第一代恒星正从密度最高的原始氢氦云中形成。按照原来的故事剧情，这些恒星“先驱”的质量可达太阳的好几百倍。这种恒星的核心很快就会坍缩，形成一个大约100倍太阳质量的黑洞。随着这些种子黑洞吞噬落向星系中心的气体，它们最终会成为类星体强劲有力的核心。

然而，在2000年，美国宇航局的钱德拉X射线望远镜发现了一个极为遥远并且十分强劲的类星体。这个名为SDSS J1030+0524的类星体，我们看到的是它在大爆炸后仅9亿年的模样。它的能量输出非常强烈，必定出自一个质量超过太阳10亿倍的黑洞。

这个怪物是怎么以如此之快的速度长到这么大的？黑洞吞食的气体越多，它发出的光和其他辐射就越强。最终，这个黑洞会因自己的耀眼光芒而忍饥挨饿，因为向外辐射的光会越来越强，强到驱散所有落向黑洞的气体，切断它的“食物”供应。理论上讲，一个黑洞至少要花3000万年才能做到质量翻番。对太阳附近近距离黑洞行为的观测也支持这一理论。

从太阳的100倍跨越到10亿倍，黑洞的质量需要翻番23次，因此从理论上讲，SDSS J1030+0524中的黑洞需要大约7亿年时间才能长成。但是，还需要给这个黑洞的种子量身定做一个气体供给源才行。黑洞的周边极有可能混乱而多变，因此如此迅速、如此长时间的吞噬气体实非易事。美国哥伦比亚大学的理论天体物理学家佐尔坦·海曼（Zoltan Haiman）说：“假设黑洞由始至终一直都能吸积气体，这是有问题的。”

不过，SDSS J1030+0524或许是一个特别罕见的黑洞，在长达10亿年的大部分时间内一直都能够狼吞虎咽。美国耶鲁大学的天体物理学家普里亚·纳塔拉詹（Priya Natarajan）说：“一个特殊的天体，总是可以用特例来解释。”但是，我们已经在同样遥远的距离上，发现了更多这样的黑洞。“当出现了一批这样的天体时，特例就行不通了，必定有某种自然的方式来造就它们。”

每一个新的发现都在为此加压。2012年，一个研究团队使用位于夏威夷的英国红外望远镜观测了类星体ULAS J1120+0641——这个类星体拥有一个质量约为太阳20亿倍的黑洞，而它所处的时间是大爆炸后仅7.7亿年。如果从太阳质量的100倍开始，理论指出，这个黑洞至少要花大约7.5亿年才能长到如此巨大。

最近对第一代恒星形成过程的研究，也让“小小种子成长为超大黑洞”的说法变得更讲不通了。新的计算机模拟更详细地追踪了形成第一代恒星的气体云坍缩的过程，发现它们往往会碎裂成比我们之前预想的还要更小的碎块，产生的恒星质量不会超过太阳的大约50倍。在超新星爆炸后，这些恒星形成的黑洞就只有太阳质量的大约10倍——对于原本预期的类星体种子而言，这样的个头实在令人失望。纳塔拉詹说：“它们根本就不够大。”

不仅如此，常见的恒星质量黑洞应该会遍布每一个年轻星系。其中一些会沉入星系中心，提供种子形成更大质量的黑洞，因此即便是质量较小的星系，现在也应该有一个令人印象相当深刻的中央黑洞才对。但是，我们看到的情况并非如此。2012年，美国普林斯顿大学的珍妮·格林（Jenny Greene）发现，在总质量约为太阳10亿倍的小型星系中，只有大约半数拥有中央黑洞。

结论似乎只有一个：我们需要质量更大的种子黑洞。

传统观点认为，超大质量黑洞始于第一代大质量恒星发生超新星爆炸之后形成的种子黑洞。它们的质量原本只有太阳的几十倍，在长达数亿年的时间内吞噬周围的物质，最终成长为庞然大物。但这个观点，最近受到了类星体观测的挑战。图片来源：《新科学家》

有一种可能是，超大质量黑洞并非始于单颗恒星，而是许多颗。美国西北大学的弗雷德·拉西奥（Fred Rasio）说：“我们知道，在宇宙历史的早期，恒星往往会大规模爆发式形成。”2003年，他对正有数百颗明亮的年轻恒星在其中形成的古老星团进行了计算机模拟。质量最大的恒星往往会聚集在中心附近，彼此之前发生碰撞几乎不可避免。“你会得到一个质量比太阳大好几千倍的天体，”拉西奥说，“我可不想称它为恒星。”接下去会发生什么，很难用计算机模型来加以模拟。拉西奥比较靠谱的猜测是，这个天体会坍缩成一个黑洞，质量或许相当于太阳的上千倍。

这个主意不错。如果我们能在今天的星团中找到类似的中等质量黑洞，那就更好了。在近距离星系中，天文学家已经找到了一些挺有希望的候选者，它们被称为极亮X射线源（ULX）。它们看上去足够明亮，似乎是由较大的黑洞来驱动的。但在2011年，对邻近的仙女座大星系中一个极亮X射线源的观测显示，它的特征光谱与行为方式跟银河系中只有大约10倍太阳质量的小黑洞一模一样。其他极亮X射线源中的黑洞，或许也只有这么小。

无论如何，即使是一个质量相当于太阳1000倍的种子黑洞，也必须要经历20次质量翻番，才能够成长为10亿倍太阳质量的超大黑洞。要解释类似ULAS J1120+0641这样的天体，黑洞几乎不停地狼吞虎咽仍然是必需的。

或许，我们必须要考虑一些更大的东西了。比方说，既然小黑洞是在恒星核心的坍缩中形成的，那巨型黑洞会不会是星系核心坍缩的结果？

这种可能性最早是在1978年，由英国剑桥大学的马丁·里斯（Martin Rees）提出的。这个想法听起来简单，但要在星系中心塞进这么多物质并不容易。要过的第一关，就是自转。即使是最早的原星系，在邻近星系引力的作用下，也会带有一点点旋转。当它们收缩的时候，其中的气体会转得越来越快，就像被卷入龙卷风的空气。最终，旋转会与引力达到平衡，形成一个自转的气体盘，几乎没有物质落入星系最内侧几百光年的范围之内。

到了上世纪90年代，拉西奥和美国哈佛大学的亚伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）证明，这一障碍是可以逾越的。如果一个原星系自转缓慢并且密度较高的话，它的核心就会变得不稳定。过多的气体会聚集形成旋转的棒状结构，它们会像齿轮传动装置那样，把转动向外传递。这样一来，原星系的中心就能坍缩成一个密度高得多的结。

下一步会怎样还不确定，但根据里斯及他当时在美国科罗拉多大学博尔德分校的同事玛尔塔·瓦伦特里（Marta Volonteri）和米切尔·比格尔曼（Mitchell Begelman）在2006年进行的计算，一种可能的结果就是形成巨大的“类恒星”—— 一个稠密的气体茧，包裹在中央的小黑洞周围，直径可达上亿千米。这个茧巨大的重量会迫使物质掉入黑洞，在短短几千万年时间里把它喂养到太阳质量的100万倍。这么大质量的种子黑洞足以让理论与观测结果相符：它的质量只需要翻番10次就能达到太阳的10亿倍。就算是在气体供应不那么充足的情况下，在7亿年的时间里做到这一点也绰绰有余。

但问题依然存在。在最初的坍缩过程中，气体很容易碎裂成小团块，它们会聚合形成恒星，从“类恒星”中夺取物质。其中一些恒星会发生超新星爆发，驱散周围的气体，扼制黑洞的生长。有一些办法可以绕开这个问题：附近如果有大量恒星正在密集形成的话，那些所谓的“星暴”过程发出的紫外辐射会加热这些气团，阻止它们聚合；湍流或许也能够防止气体碎裂成小团块。然而，在许多天文学家看来，这些补救措施似乎太过刻意了。“直接坍缩需要进行大量的微调，”拉西奥如此评论。

这些失败是否意味着，有一些我们完全陌生的机制在起作用？最激进的想法或许是，巨型黑洞由大爆炸的烈焰直接铸造，就在物质和辐射骤然发生重新排列，即发生“相变”的那些混乱时刻。比如说，在时间开启之后的大约1微秒，夸克聚在一起形成了质子和中子。这个过程可能是不均匀的，会产生密度的激增，变成一个质量与太阳相当的黑洞。

这些黑洞质量太小，不能成为我们所需的种子，但俄罗斯宇宙粒子物理学中心的谢尔盖·鲁宾（Sergei Rubin）提出，这些黑洞可能会聚集成团，迅速并合成一个巨型黑洞。另一个看起来挺有希望的相变发生在宇宙诞生之后大约10秒，电子和正电子彼此湮灭，使得宇宙空间里充满了γ射线光子。此时，质量达到太阳10万倍的黑洞有可能自发形成。

宇宙黎明时期的这些“巨兽”会吸取它们周围的炽热气体，并发出明亮的X射线，在宇宙微波背景辐射中留下印记。对它们的搜寻迄今仍一无所获，但也没有排除存在少量罕见巨型原初黑洞的可能性，它们足以形成早期类星体的种子。

即便如此，大多数想要搞清楚超大质量黑洞如何起源的天文学家仍认为，原初的种子是一个太过奇怪的选项。“没有令人信服的理由支持它们应该会形成，”比格尔曼说，“你需要一些奇怪的宇宙学理论才行。”

或许，所谓的“暗星”要更得人心一些。2007年，当时在美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校任职的道格拉斯·斯波莱尔（Douglas Spolyar）及其同事提出，第一代恒星中有一些可能是由暗物质驱动的。暗物质粒子会沉到恒星的核心，在那里碰撞并彼此湮灭，产生了一种比氢氦核聚变更为温和的热源。没有了强劲的辐射吹走流入的气体，暗星几乎可以无限地持续增长，最终坍缩形成质量高达太阳10万倍的种子黑洞。

天文学家提出了多种理论，来解释大爆炸后仅几亿年时为什么就已经存在质量相当于太阳10亿倍的超大黑洞。这些理论的共同点是，为超大黑洞的成长寻找质量更大的种子。图片来源：《新科学家》

这个想法是完全可以检验的。暗星会发出足够明亮的红外光，足以让哈勃空间望远镜的继任者、计划于2018年发射的詹姆斯·韦布空间望远镜观测到。它或许还能够探测“类恒星”。

如果韦布空间望远镜什么都没有看见，我们就需要一个更加尖端的工具来窥探超大质量黑洞的起源。太空激光干涉仪（LISA）被设计用来探测引力波，这种时空涟漪是黑洞碰撞时相对论预言会产生的一种现象。LISA已经在纸上谈兵的阶段停留了太久，但只要它最终能够发射升空，它将能够探测整个宇宙中并合黑洞发出的引力波。瓦伦特里说：“到那时，应该就能轻易判断种子黑洞究竟是大是小了。”

与此同时，天文学家也将在更为遥远的空间和时间中搜寻类星体。如果在宇宙历史的更早期依然能够找到它们，这意味着什么？最终，天文学家会探测到大爆炸后几亿年的某一时刻，即便从太阳质量100万倍的种子黑洞开始，也没有足够的时间成长为类星体中心的超大质量黑洞。这样的话，这些故事就没有一个能够奏效了。到时候，对于宇宙为什么会满是黑洞这个问题，我们就将真正陷入一无所知的黑暗之中。

排版：晓岚欧欧

编译来源：《新科学家》，Monster munch: How did black holes get vast so fast?

题图来源：wls.iphy.ac.cn

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黑洞在吞噬周围的物质