據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，超大質(zhì)量黑洞的規(guī)模是太陽(yáng)的數(shù)十億倍，而最近的一項(xiàng)研究指出，超大質(zhì)量黑洞在宇宙“僅僅”8億年時(shí)就已經(jīng)存在，而宇宙的年齡已經(jīng)140億年，這怎么可能呢？在天體物理學(xué)家看來(lái)，在如此短的時(shí)間內(nèi)形成這些宇宙“怪物”確實(shí)是傷腦筋的難題。毫無(wú)疑問(wèn)，我們當(dāng)前對(duì)這些天體的了解還十分有限。

　　一篇新論文為這一棘手的問(wèn)題提供了一個(gè)可能的解釋。這項(xiàng)研究利用一個(gè)初始模型，提出了在超大質(zhì)量黑洞發(fā)展的初始階段存在一個(gè)非常快的形成過(guò)程，此前科學(xué)家認(rèn)為這一過(guò)程相對(duì)較慢。因此，研究結(jié)果就從數(shù)學(xué)上證明了超大質(zhì)量黑洞在年輕宇宙中存在的可能性，調(diào)和了其發(fā)展所需的時(shí)間和宇宙年齡的限制?；蛟S在不遠(yuǎn)的未來(lái)，該理論可以通過(guò)愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡（Einstein Telescope，簡(jiǎn)稱(chēng)ET）和激光干涉空間天線（LISA）等引力波探測(cè)器的觀測(cè)得到證實(shí)，在某些基本方面也可以由目前的“先進(jìn)激光干涉引力波天文臺(tái)/室女座干涉儀”（Advanced LIGO/Virgo）系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

　　在星系中心成長(zhǎng)的宇宙怪物

　　研究人員的分析開(kāi)始于一個(gè)廣為人知的觀測(cè)證據(jù)：超大質(zhì)量黑洞的成長(zhǎng)發(fā)生在星系的中心區(qū)域。在今天橢圓星系的前身內(nèi)部，有著非常高的氣體含量，恒星的形成非常劇烈。最大的恒星壽命很短，很快就會(huì)演化成恒星黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于幾十個(gè)太陽(yáng)；它們很小，但在這些星系中形成了許多，環(huán)繞這些黑洞的稠密氣體具有非常強(qiáng)大的動(dòng)摩擦效應(yīng)，起著決定性的作用，導(dǎo)致它們迅速遷移到星系中心。大多數(shù)到達(dá)中心區(qū)域的黑洞會(huì)合并，產(chǎn)生超大質(zhì)量黑洞的“種子”。

　　根據(jù)經(jīng)典理論，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞成長(zhǎng)于星系中心，它不斷捕獲周?chē)镔|(zhì)，主要是氣體，使其不斷“增長(zhǎng)”，最后以與質(zhì)量成比例的節(jié)奏將其吞噬。因此，在發(fā)展的最初階段，當(dāng)黑洞的質(zhì)量較小時(shí)，它的增長(zhǎng)是非常緩慢的。根據(jù)計(jì)算，要達(dá)到已觀測(cè)到的太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)十億倍，需要很長(zhǎng)的時(shí)間，甚至比年輕宇宙本身的年齡還要大。然而，這項(xiàng)新研究的結(jié)果表明，超大質(zhì)量黑洞的成長(zhǎng)過(guò)程可能會(huì)比之前認(rèn)為的快得多。

　　黑洞的瘋狂“沖刺”

　　值計(jì)算表明，恒星黑洞的動(dòng)態(tài)遷移和融合過(guò)程可以使超大質(zhì)量黑洞的種子在5000萬(wàn)至1億年內(nèi)達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的1萬(wàn)至10萬(wàn)倍，從這點(diǎn)出發(fā)，中央黑洞的成長(zhǎng)將按照標(biāo)準(zhǔn)理論設(shè)想的那樣直接吸積氣體，從而變得非?？焖?，因?yàn)槠涑晒ξ⑽盏臍怏w數(shù)量將會(huì)非常巨大，并在所提出的過(guò)程中占據(jù)支配地位。然而，正如我們的機(jī)制所設(shè)想的那樣，正是從這樣一顆巨大的“種子”開(kāi)始，加速了超大質(zhì)量黑洞的成長(zhǎng)，并使其在年輕的宇宙中得以形成。簡(jiǎn)而言之，根據(jù)這個(gè)理論，我們可以說(shuō)，在大爆炸后8億年時(shí)，超大質(zhì)量黑洞可能已經(jīng)遍布宇宙。

　　觀測(cè)超大質(zhì)量黑洞的“種子”

　　這篇論文除了說(shuō)明模型并證明其有效性，還提出了一種測(cè)試的方法。研究人員解釋道：“無(wú)數(shù)恒星黑洞與星系中心超大質(zhì)量黑洞種子之間的融合會(huì)產(chǎn)生引力波，我們期望利用當(dāng)前和未來(lái)的探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)和了解?！毖芯咳藛T尤其關(guān)注星系中心的黑洞種子還很小的時(shí)候，即超大質(zhì)量黑洞在初始階段發(fā)出的引力波。當(dāng)前的探測(cè)器如先進(jìn)LIGO/Virgo系統(tǒng)或許將識(shí)別這些引力波，并由未來(lái)的愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行完全描述。未來(lái)的LISA探測(cè)器將于2034年前后發(fā)射到太空，這將有助于研究超大質(zhì)量黑洞的后續(xù)發(fā)展階段，通過(guò)這些觀測(cè)，“我們提出的過(guò)程可以在不同的階段，以一種互補(bǔ)的方式，被未來(lái)的引力波探測(cè)器驗(yàn)證?！?/p>

　　這項(xiàng)研究展示了研究人員如何一步步接近引力波和多信使天文學(xué)的新前沿。特別是主要目標(biāo)將是開(kāi)發(fā)理論模型，就像在這個(gè)案例中設(shè)計(jì)的那樣，利用來(lái)自當(dāng)前和未來(lái)引力波實(shí)驗(yàn)的信息，有望為天體物理學(xué)、宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)中尚未解決的問(wèn)題提供解決方案。（任天）


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話(huà)框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)