超大质量黑洞如何快速生长？
Stephen Battersby　文　Shea　编译
	即便是在宇宙时间的最早期，我们也能看到超大质量黑洞在狼吞虎咽气体。但它们却本不该出现在那里。 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，质量数十亿倍于太阳。它们无处不在，甚至在遥远宇宙的黎明之光也隐约可见。 超大质量黑洞有着和散布于银河系中的小质量黑洞相同的奇异特性，它们也会吞下所有的物质、光还有求救声。但它们还有着另一个层面的神秘感。我们知道，质量数倍于太阳的小黑洞诞生于大质量恒星超新星爆发时其核心的坍缩，但却没有人能够解释超大质量黑洞是从何而来的。 我们曾认为我们可以。我们一度认为超大质量黑洞是由非常小的种子通过进食周围的气体而缓慢长成的。但最近的观测却表明，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，其背后必定有一支“军队”。对在强引力作用下高速运动的恒星的观测表明，在几乎所有的大型星系（包括我们的银河系）中心都有一个巨大的黑洞。银河系中央黑洞的质量是太阳的约400万倍。在5千万光年之外的巨椭圆星系M87中，你会发现一个质量超过太阳60亿倍的黑洞。它的视界——任何物质一去不复返的边界——要比海王星的轨道大近5倍。 此外，我们甚至还看到了与超大质量黑洞有关的更为剧烈的现象。被称为类星体的异常活跃的星系在其中心有一个极为明亮的光点，其强度往往会超过周围数十亿颗恒星的总和。许多超大质量黑洞还会释放出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。这些正是巨型黑洞贪婪进食的表现。由于摩擦，螺旋形落向黑洞的气体会被加热并发光，它们所产生的磁场驱动着喷流中的物质向外疾驰。 超大质量黑洞的故事通常始于大爆炸之后几千万年，当时第一代恒星正形成于密度最高的原初氢和氦云中。随着时间的推移，它们会长到数百倍于太阳的质量。这些恒星的核心很快就会坍缩成一个约100个太阳质量的黑洞。随着这些种子饱食落向星系中心的气体，它们最终会形成有着强劲核心的类星体。 然而，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且强劲的类星体。我们看到的SDSS J1030+0524是其在大爆炸之后仅9亿年时的样子，它剧烈的能量输出必定来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处于饥饿状态：辐射不断增强之后会驱散流入的气体，切断黑洞的食物供应。受到近距黑洞行为支持的理论认为，黑洞质量翻倍至少需要3000万年的时间。 从100个太阳质量跨越到10亿个太阳质量需要23次质量翻倍，因此从理论上讲SDSS J1030+0524中的黑洞发育需要约7亿年的时间。但这需要一个为该黑洞的种子量身定做的气体供给源。黑洞的周围极有可能混乱而多变，因此长时间快速进食气体实非易事。“黑洞不会一直在吸积气体，”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。 不过，SDSS J1030+0524可能是一个罕见的黑洞，它可以在10亿年的时间始终在狼吞虎咽。“你总可以解释一个特定的天体，”美国耶鲁大学的天体物理学家普里亚·纳塔拉扬（Priya Natarajan）说。但我们却在差不多的距离上发现了更多类似的黑洞。“当存在一批这样的天体时，必定有一个自然的方式来造就它们，”纳塔拉扬说。 每一个新的发现都在为此加压。2012年，使用位于美国夏威夷的英国红外望远镜，一个天文学家小组观测了类星体ULAS J1120+0641，其质量约为太阳的20亿倍，位于大爆炸之后仅7.7亿年处。理论给出的下限是，从100个太阳质量开始至少要花7.5亿年才能长到这么巨大。 根据最近对第一代恒星形成的研究，从小小的种子成长超大黑洞变得甚至更不可行。新的数值模拟跟踪了可能会形成第一代恒星的气体云的坍缩，结果发现它们往往会碎裂成比我们所想象的还要更小的碎片，使得恒星的质量不会超过约50个太阳质量。在超新星爆炸后，它们所形成的黑洞只有约10个太阳质量——对于类星体的潜在种子而言其大小令人失望。纳塔拉扬说：“它们实在是太小了。” 更重要的是，常见的恒星​​质量黑洞应该会遍布每一个年轻的星系。其中一些会掉入星系的中心，为中央黑洞提供更多的质量，因此即便是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。但是这并非是我们所看到的。2012年美国普林斯顿大学的珍妮·格林（Jenny Greene）发现，在总质量约10亿个太阳质量的小型星系中，只有约一半拥有中央黑洞。 结论似乎只有一个：我们需要质量更大的黑洞种子。 一种可能性是，超大质量黑洞并非始于一颗恒星而是许多颗。“我们知道，在宇宙历史的早期，恒星倾向于大规模爆发式的形成，”美国西北大学的弗雷德·拉西奥（Fred Rasio）说。2003年，他对其中有数百颗明亮的年轻恒星正在形成的古老星团进行了模拟。质量最大的恒星倾向于在中心附近聚集，在那里它们几乎不可避免地会彼此碰撞。“你会得到一个天体——我不想把它称为恒星——它有着好几千个太阳质量，”他说。接下去会发生什么很难建模。拉西奥的猜测是，这个天体可能会坍缩成一个有着几千个太阳质量的黑洞。 这是个不错的主意。如果我们能在今天的星团中找到类似的中等质量黑洞的话，那就更好了。在近距星系中已经找到了一些有希望的候选体，它们被称为极亮X射线源。它们看上去明亮到似乎是由较大的黑洞所驱动的。但2011年对近邻仙女星系中一个极亮X射线源的观测显示，它有着和银河系中10个太阳质量左右的小型黑洞相同的谱特征和行为。其他极亮X射线源中的黑洞可能也这么得小。 在任何情况下，即使一个有着1000个太阳质量的种子黑洞，它也要经历20次的质量翻倍才能长成超大质量黑洞。为了解释类似ULAS J1120+0641这样的天体仍需要黑洞几乎不停地进食。 于是，我们也许需要考虑更大一点的东西。如果小黑洞形成于恒星核心的坍缩，那巨型黑洞是否能出自星系核心的坍缩呢？ 1978年英国剑桥大学的马丁·里斯（Martin Rees）最早提出了这一可能性。这听起来很诱人，但要在星系中心塞进这么多的物质却并不容易。要过的第一关就是旋转。即使是最早的原星系也会在邻近星系引力的作用下具有一定的旋转。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，这一转动会与引力相平衡，形成一个转动的气体盘，只有少量的物质会进入到距离中心仅几光年的范围之内。 20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克服的。如果一个原星系仅有缓慢的自转且密度很高的话，其核心会变得不稳定。过剩的气体会聚集形成转动的棒状结构，它们会像齿轮传动装置那样把转动向外传递。由此原星系的中心就能坍缩成一个密度高得多的结。 下一个阶段则是不确定的，但根据里斯及其当时的同事玛尔塔·瓦伦特里（Marta Volonteri）以及美国科罗拉多大学博尔德分校的米切尔·伯格尔曼（Mitchell Begelman）在2006年进行的计算，一种可能性是形成巨大的“类恒星”——包围在小型中央黑洞周围、直径几亿千米的一个稠密的气体茧。这个茧的巨大质量会迫使物质掉入中央黑洞，在短短的几千万年的时间里把它养育到一百万个太阳质量。质量这么大的种子可以让理论与观测结果相符：它制造一个十亿倍于太阳质量的黑洞只需要10次质量翻倍。就算在没有充足气体供应的情况下，这一过程也可能在约7亿年的时间框架下完成。 但问题依然存在。在最初的坍缩中，气体很容易碎裂成小型的团块，它们会并合形成恒星，夺取“类恒星”的物质。这些恒星中的一些会发生超新星爆发，吹散周围的气体，扼制黑洞的生长。有一些办法可以解决这个问题：附近星暴所产生的紫外线辐射会加热这些气团阻止它们聚合，或者湍流可以防止它们碎裂。然而，对于许多天文学家来说，这些补救措施似乎都太过做作。“直接坍缩模型需要大量的精调，”拉西奥说。 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？也许最激进的想法是巨型黑洞直接形成于大爆炸的烈火之中，就在物质和辐射骤然重新排列的相变的那一刻。例如，在时间开启之后的约一微秒，夸克撞在一起形成了质子和中子。这个过程可能是不均衡的，会造成密度的激增，由此转变成一个质量与太阳相当的黑洞。 这类黑洞质量太小不能作为我们所需的种子，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起来，迅速地并合成一个巨型黑洞。在宇宙诞生之后约10秒的时候还发生了另一种有希望的相变，此时电子和正电子会彼此湮灭，使得宇宙空间里充满了γ射线光子。此时，10万个太阳质量的黑洞会自发形成。 这些宇宙黎明时期的巨兽会吸积它们周围的高温气体并发出明亮的X射线，进而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，但尚不能排除存在一些罕见的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，试图搞清楚超大质量黑洞起源的绝大多数天文学家仍认为，原初的种子未必是其必不可少的选项。“没有令人信服的理由能支持它们为什么应该会形成，”伯格尔曼说，“为此你需要一些奇怪的宇宙学理论。” 也许更得人心的是所谓的“暗星”。2007年，当时在美国加州大学圣克鲁斯分校的道格拉斯·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所驱动的。暗物质粒子会沉积到恒星的核心，在那里它们会碰撞并彼此湮灭，由此来提供相比核燃烧更为温和的热源。没有了强劲的辐射来吹走流入的气体，暗星几乎可以无限地持续增长，最终坍缩成质量高达10万个太阳质量的种子黑洞。 这个想法是可以检验的。暗星会发出红外光，其强度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。它同时也能用来探测“类恒星”。 如果韦布空间望远镜什么也没看到的话，我们就需要一个甚至更为复杂的工具来窥探超大质量黑洞的起源。激光干涉仪空间天线被设计来探测引力波，相对论预言在黑洞碰撞时会产生这一形式的时空涟漪。它已经花了很长时间设法走出纸上谈兵的阶段。如果最终发射升空，它将可以探测到整个宇宙里并合黑洞所发出的引力波。“到那时就能很容易地判断出超大质量黑洞的种子究竟是大还是小，”瓦伦特里说。 同时，天文学家也将会继续寻找更为遥远的类星体。如果在宇宙的更早期依然能发现它们，这将意味着什么？最终，天文学家们将达到大爆炸之后几亿年处的某一个时间点，当时即便是具有100万个太阳质量的种子黑洞也没有足够的时间来长成超大质量黑洞。届时，没有一种生长机制会奏效。我们将真正陷入为什么宇宙会充满黑洞的黑暗之中。
[New Scientist 2013年3月13日]

2001-2020火流星工作组制作


本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电：