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火 流 星 海外文摘 Bolide |
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Andrew Grant 文 Shea 编译 |
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黑洞吞噬一切的能力早已为人所知，但也许它们同样也具有创造一切的能力——新的证据表明正是它们为宇宙大爆炸所产生的混沌带来了秩序。 在此，黑洞终于赢得了它们的“尊严”。在被当成是“破坏”之王很长时间以后，科学家们终于开始重新思量黑洞的作用。现在看来，在大爆炸后不久黑洞就出人意料地出现了，而它们的首次亮相也起到了建设性的作用。就在几年前，还没有人能想到这些“怪兽”会出现在早期宇宙中。而现在，科学家们却发现黑洞对于宇宙结构的形成是至关重要的。  黑洞——能够以强引力极度弯曲时空进而使得连光线也无法逃脱的天体——以前可没有这样的“好评”。它们曾经被认为是非常罕见的。事实上，爱因斯坦并不相信它们真的存在。但是，在过去的几十年里天文学家已经意识到，黑洞其实很普遍。在几乎每个星系的中心都有一个质量是太阳几百万到几十亿倍的超大质量黑洞。不过，当2003年在宇宙年龄小于10亿年的地方发现了一个巨大的黑洞时，许多人还是为此惊愕不已。从那时起，科学家们就一直在试图找出在这些原初黑洞来自何处以及它们是如何影响随后的宇宙演化的。 2009年8月，一个美国科学家小组对早期宇宙进行了一次超级计算机模拟，为一窥第一代黑洞的“风采”提供了一个诱人的机会。整场“演出”从宇宙大爆炸后2亿年开始，当时宇宙中的第一代恒星已经形成。这些恒星的质量非常巨大，可以达到太阳质量的大约100倍。同时它们也非常具有活力，只需短短数百万年就能烧完它们包含的所有氢。由于氢聚变不再产出可以与其巨大的引力相抗衡的能量，这颗恒星最终就会坍缩成一个密度无穷大的点。 第一代黑洞和我们今天在星系中心看到的超大质量黑洞相比微不足道。而且，由于形成第一代黑洞的恒星都非常活跃会吹散周围的气体，因此一开始它们生长得非常缓慢——在接下去的2亿年里它们的质量只会增加1%。尽管如此，这些中等大小的黑洞却扮演了控制恒星形成的重要角色。落向黑洞的物质所发出的辐射可以把周围的气体加热到大约2,700摄氏度，由此这些气体将很难再聚集形成恒星。 这一超级计算机模拟向世人展现了宇宙婴儿期的样子，但接下去会发生什么？2007年，科学家在宇宙年龄8.4亿年处发现一个质量为太阳10亿倍的超大质量黑洞，这是迄今探测到的最遥远的黑洞。2009年9月另一个科学家小组又在这个黑洞的周围发现了一个有恒星正在形成的大型星系。这些发现多少有些让人费解。因为科学家们认为，在大爆炸之后大约4亿年宇宙中应该到处都是恒星和饥饿的小型黑洞。在5亿年之后，巨型黑洞才会遍及于大型的星系中。为什么局势会如此快地被扭转呢？ 先前的数值模拟中主要关注的是单颗恒星和黑洞，忽略了这些天体之间的相互作用以及它们对早期宇宙中大尺度结构的影响。新的研究表明，第一代黑洞会被高密度的暗物质晕所包围，后者的质量可以达到黑洞自身的数万倍。正是它们构成了原星系，也就是搭建今天看到的星系所需的“积木”。在一个较短的时期内，原星系之间会发生剧烈的碰撞，由此带来的气体和尘埃可以使得其中的黑洞快速生长。在8亿年的时间里一个100个太阳质量的黑洞可以彪升到10亿个太阳质量，而在某些高密度区域这一过程会进行地更快。在这个阶段，黑洞会突然对恒星变得更为“友好”。原星系合并发出的激波会压缩气体，由此可以触发大范围的恒星形成。在非常短的时间内，黑洞会从一个轻量级选手转而变成一个占据星系中心位置的超重量级霸主。 虽然这个想法对为大质量黑洞的形成提供了一个解释，但目前它仍然还停留在理论阶段，尚未被直接的观测证实。因此，理论家们还在改善他们的计算，而其他天文学家则希望利用强大的望远镜来观测更早期的宇宙，来寻找理论家们所预言的这些天体。有理论家甚至表示，如果在宇宙诞生之后5亿年的地方发现了巨型黑洞的话，他们也不会感到惊奇。 哈勃空间望远镜也将参与这一搜索行动。2009年4月在宇宙仅有6.3亿年处发现了一次有可能会导致恒星坍缩成黑洞的爆发。计划于2014年发射的哈勃空间望远镜的继任者詹姆斯·韦布空间望远镜则会把我们的视线带往更古老的宇宙。 不久，天文学家也许就可以直接观察那个宇宙由黑洞主宰而黑洞又会宇宙带来“秩序”的时期。无论是对于理论还是观测天文学而言，那里都是宇宙的最前沿。 （本文已刊载于《世界科学》2010年第5期） |
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[Discover 2009年12月]
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火流星工作组制作
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