來源：bbc
作者：Patchen Barss
翻譯：葉子
宇宙中存在著一些巨大的黑洞，有些甚至比太陽還大數(shù)十億倍，但是人類對這些巨型黑洞的形成和演化幾乎一無所知。不過，最新的望遠鏡和太空技術(shù)或許能為我們提供一條研究這些龐然巨物的新途徑。
在海豚座與天馬座正中間，有一架“風(fēng)車”正在緩緩地轉(zhuǎn)動。數(shù)十億年來，UCG 11700星系的旋臂一直在平靜地旋轉(zhuǎn)，不曾與其它星系相撞或合并，因此沒有像許多星系那樣發(fā)生變形。然而，盡管這個星系看上去賞心悅目，它的正中卻蟄伏著一頭猛獸——那里有一個超大質(zhì)量黑洞，宇宙中最神秘的天體之一。
一般的黑洞質(zhì)量約為太陽的四倍，但超大質(zhì)量黑洞則可能達到太陽的成百上千萬倍、乃至數(shù)億倍之多。科學(xué)家相信，幾乎每個大型星系中央都有一個超大質(zhì)量黑洞，只是無人知曉它們究竟是如何形成的。
在這方面，UCG 11700或許能助我們一臂之力，這個美麗至極的星系將幫助我們破解超大質(zhì)量黑洞的成長之謎。
神秘的超大質(zhì)量黑洞
黑洞的密度極大，連光線都無法從中逃脫，因此研究起來尤為困難。但一些新技術(shù)可以幫助我們分析超大質(zhì)量黑洞對周圍星際天體造成的影響、甚至是它們產(chǎn)生的時空漣漪，為我們提供新的線索。
我們對傳統(tǒng)黑洞的形成和生長機制已經(jīng)了解得很充分了。恒星耗盡燃料后死亡，發(fā)生超新星爆炸，然后向內(nèi)坍縮，密度也隨之變得極大、連光線都無法逃脫。愛因斯坦在廣義相對論中預(yù)言了黑洞的存在，至今已過去了將近一個世紀。
在通俗文化中，黑洞往往被描述為極其黑暗、極其饑渴的形象；它們會在宇宙中快速移動，將沿途的一切都盡數(shù)吞噬，不斷長得越來越大、越來越貪婪。因此人們難免會認為，超大質(zhì)量黑洞不過是最饑渴、最古老的一類黑洞而已，就這么簡單。
但在現(xiàn)實中，黑洞其實有些名不符實。它們吸食周圍物質(zhì)的效率其實低得驚人，即使在物質(zhì)密集的星系中央也是如此。事實上，坍縮后的恒星生長得十分緩慢，根本不可能通過吸收新物質(zhì)增長到超大質(zhì)量黑洞。
假設(shè)第一批恒星是宇宙大爆炸之后2億年左右形成的，它們坍縮之后，還有135億年時間成長到太陽質(zhì)量的50億倍。如果只靠吸食物質(zhì)，這段成長的時間也太短暫了。
更令人不解的是，超大質(zhì)量黑洞早在宇宙的“嬰兒期”就已經(jīng)存在了。遙遠的類星體是夜空中最明亮的天體之一，它們其實就是被古老的超大質(zhì)量黑洞點亮的瀕死星系核。這些巨型黑洞至少在宇宙僅有6.7億年時就已存在于世了，已知最古老的星系也是在這一時期形成的。
雖然黑洞的核心對外界觀察者而言將永遠是個謎，但超大質(zhì)量黑洞的光芒其實比整個星系的恒星加起來還要耀眼，并且在吞食周邊物質(zhì)時，它們還可能“打嗝”，釋放出紫外線輻射。
黑洞的球形邊界名叫“事件視界”。在這個球體之內(nèi)，任何光線、能量和物質(zhì)都無法逃脫。空間與時間在其中層層折疊，常用的物理法則在這里也不起作用。但黑洞在轉(zhuǎn)動時，還會將事件視界周圍的物質(zhì)連帶著一同旋轉(zhuǎn)，成為一個飛速轉(zhuǎn)動、溫度極高的圓盤。類星體中吸積盤的溫度可超過1千萬攝氏度，釋放出極其明亮的電磁輻射。
黑洞是宇宙中最有效、最高效的引擎，它們將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的效率高達40%。相比之下，化石燃料的燃燒、甚至恒星的能量利用率都只有黑洞的零頭而已。
超大質(zhì)量黑洞吸引科學(xué)家的不僅是它們的超高能量效率。它們的形成與演化顯然與星系的發(fā)育過程密切相關(guān)，甚至關(guān)乎整個宇宙的歷史和結(jié)構(gòu)。如果能解開這些宇宙巨物之謎，科學(xué)家對宇宙的了解也將向前邁進一大步。
窺探黑洞
能量釋放只是黑洞“泄露”自身秘密的眾多方式之一。黑洞與其它密度稍低一些的天體（如中子星）合并或相撞時會形成時空漣漪，即我們所說的引力波。引力波以光速在宇宙中傳播，2015年首次在地球上被探測到。自此之后，位于美國的LIGO和意大利的Virgo天文臺捕捉到了好幾次由這類相撞事件創(chuàng)造的時空漣漪。
不過，雖然這兩座天文臺的探測儀器長達數(shù)公里，卻也只能探測到較小型黑洞產(chǎn)生的引力波。
在LIGO探測到的合并事件中，黑洞質(zhì)量最多只有太陽的150倍，目前，所謂中等質(zhì)量黑洞（即質(zhì)量約為太陽1萬倍的黑洞）的相關(guān)數(shù)據(jù)還較為欠缺。而這類黑洞其實有可能成為孕育超大質(zhì)量黑洞的種子。
中等質(zhì)量黑洞可能是早期宇宙中的巨型氣體云或恒星相互碰撞時形成的。在早期宇宙沖突頻發(fā)的環(huán)境中，這些中等質(zhì)量黑洞還可能繼續(xù)與彼此相撞，同時快速吸收周邊物質(zhì)，從而迅速增長到了超大質(zhì)量規(guī)模。
不過，這套中等質(zhì)量黑洞理論也存在一定問題。早期宇宙又小又熾熱，氣體云一直沐浴在充足的輻射中，按理說能量應(yīng)該十分充足，不至于發(fā)生坍縮。并且即使在稠密的早期宇宙中，黑洞吸收物質(zhì)的速度也同樣會受到物理法則的限制。
目前每一種對超大質(zhì)量黑洞的解釋都存在“瓶頸和缺陷”，因此暫無定論。
這些理論都提及了我們所謂的“動態(tài)過程”，即一個黑洞可能由多顆恒星形成、而不僅僅是一顆恒星，但這些過程只有在限定條件下才能發(fā)生，此外還有“原始黑洞”理論，認為部分黑洞也許早在恒星出現(xiàn)前便已經(jīng)存在了。不過這還完全是一片未知領(lǐng)域，沒有任何觀測結(jié)果作為佐證。
但按照動態(tài)過程理論，黑洞質(zhì)量很難超過太陽的1000倍。當(dāng)宇宙年齡僅有10億年時，類星體的質(zhì)量就已經(jīng)高達太陽的10億倍了。如此龐大的數(shù)字是很難達到的。超大質(zhì)量黑洞形成的真相還尚待揭開，我們向下挖掘得越深，發(fā)現(xiàn)的問題就越多。我們一定是漏了什么關(guān)鍵之處。
彌補空缺的最新一代的觀測器
好在最新一代的觀測儀器已經(jīng)開始彌補這方面的空缺了。Virgo、LIGO等天文臺正在為我們提供越來越詳細的“人口統(tǒng)計學(xué)信息”，包括黑洞的“體型”、年齡和位置等等。
但要想獲得超大質(zhì)量黑洞的數(shù)據(jù)，研究人員還要借助規(guī)模更大的探測器才行。
2030年起，NASA和歐空局將聯(lián)合發(fā)射激光干涉儀太空天線探測器（簡稱LISA）。該探測器由三枚衛(wèi)星組成，呈三角狀分布，每邊長250萬公里。該衛(wèi)星陣列的工作原理與LIGO和Virgo類似，但規(guī)模更龐大，因此可以探測到超大質(zhì)量黑洞發(fā)出的引力波，這是現(xiàn)有技術(shù)所無法企及的。
已有線索顯示，地球正在受到超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的引力波的沖刷。2021年初，天文學(xué)家宣布在45顆脈沖星發(fā)出的輻射中發(fā)現(xiàn)了一些微小的偏差。雖然結(jié)果尚待確認，但研究人員認為，這些偏差可能是由超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的“引力波背景”造成的。
但還有一些更直接的方法可以幫助我們看到黑洞。事件視界望遠鏡最近首次拍到了黑洞的照片，脫下了這類天體的神秘外衣，進一步揭露了黑洞的性質(zhì)、以及黑洞的引力和磁性對所在星系的影響。天體物理學(xué)家還可以對星系核心黑洞附近恒星的運動軌跡進行追蹤，借此推斷出這些巨型天體的相關(guān)信息。
這類觀測活動大多由地面望遠鏡開展，它們都使用了所謂的“自適應(yīng)光學(xué)”技術(shù)。觀察者通過分析明亮的恒星（或人造激光束）來衡量影響圖像質(zhì)量的大氣畸變。計算機控制信號再對望遠鏡鏡片的形狀進行微調(diào)，從而修正這些畸變。這樣一來，我們不僅可以精確地觀測到數(shù)十億光年之外的星系核心，還能獲得大量超大質(zhì)量黑洞的相關(guān)數(shù)據(jù)。
最后一個秒差距問題
很難想象，從地球上觀測的分辨率竟然能超過哈勃太空望遠鏡。星系質(zhì)量與黑洞質(zhì)量之間有著緊密的相關(guān)性：星系質(zhì)量越大，中央超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量就越大。這些天體成長的步調(diào)有時十分一致。
雖然存在這種相關(guān)性，但并沒有明確的證據(jù)證明，大型星系一定會生成大型黑洞，反之亦然。兩者之間的確存在關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)的本質(zhì)仍然是個謎。
有一種解釋認為，這可能與星系相撞有關(guān)?？捎^測宇宙范圍內(nèi)大約有2萬億個星系，其中大多數(shù)都在加速遠離彼此，但星系仍有可能相撞，其中央的大型黑洞也會隨之合并成一個更大的黑洞。有些科學(xué)家認為，那些大得可怕的超大質(zhì)量黑洞也許就是這樣形成的。
當(dāng)相對較小的黑洞相撞時，會在短短一瞬間釋放出巨大能量，發(fā)出的光芒耀眼到太空中的一切都顯得黯然失色。而如果兩個超大質(zhì)量黑洞相撞，絕對是宇宙中最災(zāi)難性的事件之一。
不過，雖然科學(xué)家懷疑超大質(zhì)量黑洞之間也會合并，但由于黑洞動力學(xué)方面的一個問題，這種情況發(fā)生的概率也許很低。
隨著兩個即將相撞的黑洞越靠越近，它們會圍繞彼此旋轉(zhuǎn)得越來越快。但當(dāng)大型黑洞之間的距離達到一個秒差距（3.26光年）時，其軌道速度便會將引力抵消掉，導(dǎo)致它們接近彼此的速度大大降低，就宇宙目前的年齡來看，根本等不到真正合并的那一天。
盡管如此，物理學(xué)家還是相信這類合并事件的確會發(fā)生，只是需要一套新理論來解決所謂的“最后一個秒差距問題”。也許有其它某種力量或能量，可以將兩個圍繞彼此旋轉(zhuǎn)的黑洞拉攏到一起。
宇宙中到處都是通過合并形成的星系，我們的銀河系就是其中之一，說明的確會發(fā)生這種事件。當(dāng)星系相撞時，兩個星系中的恒星、氣體云、暗物質(zhì)和黑洞都會發(fā)生相互作用，致使原本的螺旋結(jié)構(gòu)遭到破壞。即使兩個星系只是擦肩而過，也會對雙方的結(jié)構(gòu)造成影響，因此很容易被我們發(fā)現(xiàn)。
但這也意味著，像UCG 11700這樣的星系中央的超大質(zhì)量黑洞無法通過星系相撞來解釋，因為該星系的形狀太過完美，說明它從未與其它星系近距離接觸過。
只有極少數(shù)的星系自誕生以來便一直“孑然一身”、從未接觸過其它星系，可以確定的是，這些星系中央的黑洞絕不是通過與其它黑洞合并形成的。
這說明，它們一定有著另一種形成途徑。
天文學(xué)家采用了倒推法，想弄清這些黑洞開始時需要有多大、才能增長到如今的大小。模型顯示，形成于宇宙初期、質(zhì)量介于太陽1千至10萬倍之間的黑洞機會最大。這一范圍正好與“黑洞種子論”相符。不過，這個尺寸的黑洞不太可能通過恒星坍縮形成。
還有一種理論認為，超大質(zhì)量黑洞可能由暗物質(zhì)直接形成，天體物理學(xué)家正在探索這種可能性。暗物質(zhì)是一類理論上存在的粒子，雖然可以與引力發(fā)生相互作用，但對于光線和電磁波則完全隱形，我們對它的了解也少得可憐。如果將黑洞和暗物質(zhì)這兩大謎團結(jié)合在一起，只會進一步增加挑戰(zhàn)性。
我們不知道的還有很多，如果直接得出結(jié)論，稱黑洞都是由超新星爆發(fā)形成的，那未免太傲慢了。也許真正的解釋我們還根本沒有想到過呢。人類期待著宇宙有朝一日給我們一個驚喜，對于整個科學(xué)界，那都將是重要的一天。
接下來，更先進的觀測儀器即將登場。NASA計劃于今年秋天發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，其規(guī)模和探測能力都達到了空前的水平，必定會成為研究超大質(zhì)量黑洞的寶貴工具。不僅如此，LISA天線發(fā)射升空后，也將為科學(xué)家提供憑借引力波觀測超大質(zhì)量黑洞的新途徑。
其他科學(xué)家則在著手繪制包含成百上千萬個星系的位置、運動、形狀、大小等信息的詳細分布圖，也將為觀測人員和理論學(xué)家提供重要助力。
該領(lǐng)域的工作節(jié)奏著實驚人，我們對黑洞的研究僅開展了一百年左右，但與宇宙140億年的歷史相比，根本不足以揭開所有謎團。每次拋出一個問題，都能得出至少五個答案。
在過去的一個世紀里，我們?nèi)〉昧艘幌盗屑夹g(shù)發(fā)展，使得這些發(fā)現(xiàn)成為了可能，我們還有許多已知問題想要解決，但也想了解一些連想都不曾想過的新事物。這真的很棒，黑洞也許會給我們一個巨大的驚喜，遠超所有人的意料之外。（葉子）
