類星體

宇宙中有一種特殊的星系，因其中心的黑洞瘋狂吞食周圍物質(zhì)而發(fā)出極強(qiáng)的光芒，但因其發(fā)光區(qū)域比普通的星系小得多，乍看之下更類似于恒星，因此被稱為“”。人類通過觀測與分析，確認(rèn)早期宇宙中的類星體中含有超級(jí)巨型的黑洞，它們的質(zhì)量達(dá)到幾十億甚至上百億太陽那么重。這些黑洞如何在宇宙年齡不到10億年時(shí)就長成如此巨大的規(guī)模，一直是一個(gè)有爭議的熱門課題。不久前發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志上的一項(xiàng)新研究，給出了一條新的線索[1]。

類星體與巨型黑洞

星系中心的巨型黑洞在吞食大量物質(zhì)（氣體和塵埃），這些物質(zhì)在落進(jìn)黑洞的過程中相互摩擦、加熱，發(fā)出強(qiáng)烈的光芒

早在1960年，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了所謂的“類星體”，它們比星系小得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看上去像是恒星，但亮度卻可以比整個(gè)銀河系還亮幾百倍以上。此后不久，就有理論天文學(xué)家解釋了類星體的發(fā)光原理：，就如非洲草原被獅子吃掉的斑馬臨死前發(fā)出悲鳴。

圖1：類星體的藝術(shù)想象圖。氣體和塵埃形成一個(gè)圍繞著中心黑洞的環(huán)，兩極形成噴流。圖片來源：NASA/ESA

發(fā)現(xiàn)了許多遠(yuǎn)古時(shí)期的類星體

對(duì)于類星體的研究，最近一些年的一個(gè)重要進(jìn)展是：。這些類星體在宇宙年齡僅10億年的時(shí)候就已經(jīng)形成，并發(fā)出強(qiáng)光。比如，2015年，北京大學(xué)的吳學(xué)兵教授在《自然》 ( Nature)上發(fā)表論文[2]，宣布發(fā)現(xiàn)一個(gè)宇宙年齡僅9億年時(shí)(紅移為6.3)的類星體 SDSSJ010013.02+280225.8。要知道，當(dāng)前宇宙的年齡大約為138億年，9億年只是宇宙的幼年期。更令人驚訝的是，。例如吳學(xué)兵教授發(fā)現(xiàn)的那個(gè)類星體里的黑洞，質(zhì)量就達(dá)到120億倍太陽質(zhì)量。作為對(duì)比，銀河系中心的黑洞的質(zhì)量大約是400萬個(gè)太陽質(zhì)量，只能算小字輩。

圖2：銀河系中心附近的一小塊區(qū)域的高清晰度圖。中心部分被放大到右上方，后者中心的橙色十字表示銀河系中心黑洞的位置，S2是一顆恒星，圍繞著中心黑洞旋轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家們使用歐洲南天天文臺(tái)(ESO)的甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)持續(xù)觀測了大約20年，發(fā)現(xiàn)多顆繞著共同中心旋轉(zhuǎn)的恒星，根據(jù)它們的軌道，計(jì)算出銀河系中心的黑洞質(zhì)量大約是400萬個(gè)太陽那么重。銀河系中心的黑洞已經(jīng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，因?yàn)樗車銐蚪牡胤揭呀?jīng)沒有多少氣體可以讓它吃了。事實(shí)上，類星體中心的黑洞吃完周圍的物質(zhì)之后，也會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。圖片來源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.

這些黑洞是如何在不到10億年的時(shí)間里長到那么大的？

銀河系內(nèi)黑洞的成因很好解釋;但對(duì)于早期宇宙中那些幾十億個(gè)、甚至上百億個(gè)太陽那么重的黑洞，問題就來了：

難題：

極早期宇宙中，大塊的物質(zhì)云因?yàn)樽陨韮?nèi)部的不均勻而開始結(jié)團(tuán)，最終形成一個(gè)個(gè)巨大的恒星

關(guān)于這些比幾十億個(gè)太陽還重的超級(jí)巨型黑洞的來源，當(dāng)前有個(gè)公認(rèn)的看法：。這些恒星的質(zhì)量是太陽的幾千倍以上，是所謂的“”。第一代恒星只要大約100萬年就會(huì)結(jié)束生命，直接收縮為黑洞。這些黑洞被稱為“種子黑洞”。

種子黑洞一方面會(huì)吃周圍的東西，另一方面還會(huì)和其他種子黑洞并合，成為更大的黑洞。通過幾億年的吞食與并合，種子黑洞就可以成為幾十億個(gè)太陽那么重的巨型黑洞。

這個(gè)理論看似很自然，但需要通過嚴(yán)格的計(jì)算和數(shù)值模擬來驗(yàn)證。事實(shí)上，此前的很多模擬都遇到了不同程度的困難。為了能夠在不到10億年的時(shí)間里增長到幾十億個(gè)太陽那么重，要求種子黑洞就得有幾萬個(gè)太陽那么重。但是，如何形成這么重的種子黑洞呢?

這個(gè)方案假定早期宇宙中可以形成10萬個(gè)太陽那么重的氣體團(tuán)，直接坍縮為黑洞

有一個(gè)方案似乎可以解決這個(gè)問題，。而這個(gè)理論的缺點(diǎn)是：必須假定這樣的氣體團(tuán)附近有明亮的星系，而這并不容易實(shí)現(xiàn)。因此，早期黑洞種子的質(zhì)量問題，一直存在爭議。