【博科園-科學科普】
當我們看到宇宙早期最明亮，最有活力的天體時，會有一個很大的問題。在第一批恒星和星系形成后不久，發(fā)現(xiàn)了第一批類星體：從電波到X射線，輻射的光線都是跨越電磁波譜的。只有一個超大質量的黑洞才有可能成為這些宇宙巨獸之一的引擎，而像類星體、blazar和AGNs等活躍物體的研究都支持這一觀點。但是有一個問題：可能很難有這么大的黑洞來解釋我們所看到的這些年輕的類星體。除非，這是一種新的方法來制造黑洞，今年天文學家找到了直接坍塌黑洞的第一個證據(jù)，這可能會導致我們長期以來尋求的解決方案。
通常被稱為“活躍星系”，幾乎所有的星系都在其中心具有超大質量黑洞。但只有少數(shù)發(fā)射出與類星體或AGN相關的強烈輻射。領先的思想是超大質量黑洞會對物質起反應，加速和加熱，導致它發(fā)生電離和發(fā)光。根據(jù)科學家們觀察到的光線可以成功地推斷出中心黑洞的質量，這個質量經(jīng)常達到太陽質量的數(shù)十億倍。即使是最早的類星體，如 J1342 + 0928，在宇宙大爆炸之后的六億九千萬年，也能達到八億倍太陽質量：當時宇宙只有當前年齡的5％。
如果試圖以傳統(tǒng)方式制造一個黑洞。那就是讓大質量恒星變成超新星，形成小黑洞，并將它們合并在一起，就會出現(xiàn)問題。恒星的形成是一個劇烈的過程，就像核聚變點燃時，強烈的輻射會燃燒掉剩余的氣體，否則就會逐漸形成越來越大的恒星。從附近的恒星形成區(qū)域到我們觀測到的最遠的區(qū)域，同樣的過程似乎也在發(fā)生，阻止恒星(以及黑洞)在一定質量之外形成。
有一個非常強大和引人注目的標準場景：超新星爆炸，引力相互作用，然后通過合并來增長。但是我們看到的早期類星體的質量太大，無法用它來解釋。另外一條已知的合并中子星的方法來創(chuàng)造黑洞，并沒有提供進一步的幫助相反，第三種直接坍塌的情況是可能的。這個想法在過去一年得到了三個證據(jù)的支持：
1、超年輕類星體J1342 + 0928的發(fā)現(xiàn)，擁有數(shù)百萬唄太陽質量的黑洞
2、理論表明，如果直接崩潰的情況是真的，可以形成比超新星所形成早幾千倍的早期“種子”黑洞。
3、而通過直接崩潰發(fā)現(xiàn)成為黑洞的第一顆恒星，驗證了這個過程。
通常情況下，它是宇宙中最熱，最年輕，最龐大，最新的恒星會形成黑洞。宇宙早期有很多這樣的星系，但也有很多原始星系都是氣體，塵埃和暗物質，而且還沒有恒星。在這個浩瀚的宇宙中，我們甚至發(fā)現(xiàn)了一個這樣的一對星系的例子：其中一個已經(jīng)瘋狂地形成恒星，另一個可能還沒有形成。這個超遙遠的星系被稱為CR7，擁有大量的年輕恒星，附近有一塊發(fā)光氣體，可能還沒有形成一顆恒星。
在今年3月份發(fā)表的一篇理論研究報告中，介紹了一種從這種機制中產生直接坍塌黑洞的迷人機制。一個年輕發(fā)光的星系可以照亮附近的一個伙伴，它可以阻止氣體從碎片中分裂形成微小的團塊。通常情況下，這些微小的團塊會坍縮成單顆恒星，但是如果不能形成這些團塊，那么就可以將大量的氣體單片塌陷成一個單一的結構。引力就會產生作用結果可能是一個黑洞，它的質量是太陽的10萬倍，甚至可能達到100萬倍太陽質量。
然而，有許多理論機制是有趣的，但在實際的物理環(huán)境中卻沒有被證實。是否可以直接坍塌？我們現(xiàn)在可以肯定地回答這個問題，“是的”，因為第一個足夠大到可以形成超新星的恒星被認為是簡單的消失了，沒有煙花，沒有爆炸，沒有增加亮度。只有一顆恒星，一瞬間被黑洞取而代之。正如哈勃望遠鏡前后發(fā)現(xiàn)的那樣，毫無疑問，黑洞的直接坍塌發(fā)生在我們的宇宙中。
把這三個信息放在一起就會看到這些超大質量黑洞是如何如此形成的：
1、一個空間區(qū)域坍縮形成恒星，而附近的空間區(qū)域也經(jīng)歷了引力坍縮，但尚未形成恒星。
2、有恒星的區(qū)域會釋放出強烈的輻射，在那里光子的壓力使其他云中的氣體從碎片變成可能的恒星。
3、塵埃云本身繼續(xù)崩潰，以一種單一的方式進行。它像這樣消耗能量(輻射)，但是里面沒有任何恒星。
4、當質量超過臨界閾值時，可能是數(shù)十萬甚至上百萬倍的太陽質量，直接坍縮形成黑洞。
5、從這個龐大的早期種子黑洞，很容易通過引力，合并，增長和時間的物理學得到超大質量的黑洞。
這可能不僅是可能的，而且隨著新的無線電望遠鏡陣列的建造，以及詹姆斯韋伯太空望遠鏡，我們也許能夠見證這個過程。
CR7星系很可能是許多類似物體的一個例子。正如直接坍塌機制背后的理論家沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）先前所說的那樣，一個附近的發(fā)光星系會導致附近的氣體云直接坍縮。所有需要做的是從一個開始：原始的氫和氦云，彌漫在紫外線輻射的海洋中。在暗物質暈的引力場中碾碎這片云。通常云能夠冷卻，碎片化，形成恒星，但是，紫外線光子使氣體保持高溫，從而抑制任何恒星的形成，這些都是想要的，近乎不可思議的條件：坍塌而不分裂！當氣體變得越來越致密時，最終會形成一個巨大的黑洞。
幸運的是到2020年，這一個長期存在的謎團，最終可能會被解開。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
