宇宙形成的最初8億年里，也就是大約130億年前，當我們的宇宙還只是一個雜亂無章初創(chuàng)時，宇宙突然出現(xiàn)了一股創(chuàng)造力，在宇宙的“左”、“右”、“中”三個方向都產(chǎn)生了超大質(zhì)量的黑洞。天文學(xué)家們在觀察類星體時，仍然可以“偷看”到早期宇宙的這些遺跡。類星體非常大，非常明亮，被認為是由比地球太陽大數(shù)十億倍的老黑洞提供能量，然而，這些古老天體的存在本身就構(gòu)成了一個問題。
許多類星體似乎起源于宇宙的最初8億年，遠遠早于任何恒星能夠變大或變老到足以在自身質(zhì)量下坍縮、爆炸成超新星并形成黑洞。那么，時空結(jié)構(gòu)中的這些老黑洞是從哪里來的呢？根據(jù)一種流行的理論，可能只需要大量的氣體。在發(fā)表在《天體物理學(xué)》(Astrophysical Journal Letters)上的一項新研究中，研究人員運行了一個計算機模型，以證明在非常早期的宇宙中，某些超大質(zhì)量黑洞可以通過簡單地將大量氣體聚集成一個引力束縛云而形成。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在幾億年內(nèi)，足夠大的云團會在自身質(zhì)量的作用下坍縮，形成一個小黑洞——而不需要超新星坍塌。這些理論對象被稱為直接坍縮黑洞(DCBHs)，根據(jù)這項新研究的主要作者、加拿大安大略省倫敦西部大學(xué)的天體物理學(xué)家、黑洞專家山塔努·巴蘇(Shantanu Basu)所說：直接坍縮黑洞的一個決定性特征是，它們一定是在宇宙早期非常短的時間內(nèi)非常非常迅速地形成。黑洞形成的時間只有大約1.5億年，并且在這段時間內(nèi)迅速增長。在1.5億年時間窗口的早期形成的黑洞，其質(zhì)量可以增加1萬倍。
氣體云是如何變成黑洞的？根據(jù)2017年的一項研究，這樣的轉(zhuǎn)變需要兩個個性迥異的星系：一個是正在形成大量新生恒星的宇宙超級巨星，另一個則是一堆低調(diào)的無恒星氣體。當新恒星在這個繁忙的星系中形成時，它們會發(fā)出持續(xù)不斷的熱輻射，沖刷鄰近星系，阻止那里的氣體合并成自己的恒星，在幾億年內(nèi)，沒有恒星的氣體云可以吸收如此多的物質(zhì)。以至于它會在自身的重量下坍塌，形成一個黑洞，卻未產(chǎn)生過恒星。
不久，這個“種子”黑洞可能會通過快速吞噬附近星云的物質(zhì)而達到超大質(zhì)量狀態(tài)——這可能產(chǎn)生了我們今天看到的巨大類星體。在宇宙形成的最初8億年里，在宇宙中恒星和其他黑洞過于擁擠而無法形成之前，這種宇宙編排的行為可能只在很短一段時間內(nèi)成為可能。在大爆炸之后的10億年內(nèi)，宇宙中可能已經(jīng)存在了太多背景輻射。以至于一個超大質(zhì)量黑洞將很難找到足夠的氣體來吸收并繼續(xù)其指數(shù)級增長。假設(shè)在這1.5億年之后不會有新的超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生。
這就解釋了為什么在宇宙中一定質(zhì)量和光度以上的黑洞數(shù)量會急劇下降。雖然直接坍縮黑洞目前仍處于理論研究階段，但一些天文學(xué)家認為，哈勃太空望遠鏡可能發(fā)現(xiàn)了這樣一個正在形成的天體。根據(jù)當年一項關(guān)于這一課題的研究，一顆巨大恒星在哈勃望遠鏡的鏡頭前消失了，沒有超新星的閃光。最好的解釋是，這顆大質(zhì)量恒星只是坍縮成一個黑洞，沒有任何壯觀的場面或煙火。其他六顆附近的恒星在火焰和憤怒中爆炸，這表明大約七分之一(14%)的大恒星通過簡單地消失在虛空中來結(jié)束生命。
博科園｜文：Brandon Specktor/Live Science
參考期刊《天體物理學(xué)》
DOI: 10.3847/2041-8213/ab2646
博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普
