宇宙大爆炸後不久的超大質量黑洞是如何產生的?
2020年04月08日08:42
根據經典理論,超大質量黑洞並沒有足夠時間在年輕的宇宙中發展。然而,觀測結果表明它們在大爆炸後8億年時就已經存在。SISSA的一項新研究對這個有趣的問題提出了新的解釋
根據經典理論,超大質量黑洞並沒有足夠時間在年輕的宇宙中發展。然而,觀測結果表明它們在大爆炸後8億年時就已經存在。SISSA的一項新研究對這個有趣的問題提出了新的解釋

  4月8日消息,據國外媒體報導,超大質量黑洞的規模是太陽的數十億倍,而最近的一項研究指出,超大質量黑洞在宇宙“僅僅”8億年時就已經存在,而宇宙的年齡已經140億年,這怎麼可能呢?在天體物理學家看來,在如此短的時間內形成這些宇宙“怪物”確實是傷腦筋的難題。毫無疑問,我們當前對這些天體的瞭解還十分有限。

  一篇新論文為這一棘手的問題提供了一個可能的解釋。這項研究利用一個初始模型,提出了在超大質量黑洞發展的初始階段存在一個非常快的形成過程,此前科學家認為這一過程相對較慢。因此,研究結果就從數學上證明了超大質量黑洞在年輕宇宙中存在的可能性,調和了其發展所需的時間和宇宙年齡的限製。或許在不遠的未來,該理論可以通過愛因斯坦望遠鏡(Einstein Telescope,簡稱ET)和激光干涉空間天線(LISA)等引力波探測器的觀測得到證實,在某些基本方面也可以由目前的“先進激光干涉引力波天文台/室女座干涉儀”(Advanced LIGO/Virgo)系統進行驗證。

  在星系中心成長的宇宙怪物

  研究人員的分析開始於一個廣為人知的觀測證據:超大質量黑洞的成長髮生在星系的中心區域。在今天橢圓星系的前身內部,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,很快就會演化成恒星黑洞,其質量相當於幾十個太陽;它們很小,但在這些星系中形成了許多,環繞這些黑洞的稠密氣體具有非常強大的動摩擦效應,起著決定性的作用,導致它們迅速遷移到星系中心。大多數到達中心區域的黑洞會合併,產生超大質量黑洞的“種子”。

  根據經典理論,一個超大質量黑洞成長於星系中心,它不斷捕獲周圍物質,主要是氣體,使其不斷“增長”,最後以與質量成比例的節奏將其吞噬。因此,在發展的最初階段,當黑洞的質量較小時,它的增長是非常緩慢的。根據計算,要達到已觀測到的太陽質量的數十億倍,需要很長的時間,甚至比年輕宇宙本身的年齡還要大。然而,這項新研究的結果表明,超大質量黑洞的成長過程可能會比之前認為的快得多。

  黑洞的瘋狂“衝刺”

  值計算表明,恒星黑洞的動態遷移和融合過程可以使超大質量黑洞的種子在5000萬至1億年內達到太陽質量的1萬至10萬倍,從這點出發,中央黑洞的成長將按照標準理論設想的那樣直接吸積氣體,從而變得非常快速,因為其成功吸引並吸收的氣體數量將會非常巨大,並在所提出的過程中佔據支配地位。然而,正如我們的機製所設想的那樣,正是從這樣一顆巨大的“種子”開始,加速了超大質量黑洞的成長,並使其在年輕的宇宙中得以形成。簡而言之,根據這個理論,我們可以說,在大爆炸後8億年時,超大質量黑洞可能已經遍佈宇宙。

  觀測超大質量黑洞的“種子

  這篇論文除了說明模型並證明其有效性,還提出了一種測試的方法。研究人員解釋道:“無數恒星黑洞與星系中心超大質量黑洞種子之間的融合會產生引力波,我們期望利用當前和未來的探測器對其進行觀測和瞭解。”研究人員尤其關注星系中心的黑洞種子還很小的時候,即超大質量黑洞在初始階段發出的引力波。當前的探測器如先進LIGO/Virgo系統或許將識別這些引力波,並由未來的愛因斯坦望遠鏡進行完全描述。未來的LISA探測器將於2034年前後發射到太空,這將有助於研究超大質量黑洞的後續發展階段,通過這些觀測,“我們提出的過程可以在不同的階段,以一種互補的方式,被未來的引力波探測器驗證。”

  這項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的新前沿。特別是主要目標將是開發理論模型,就像在這個案例中設計的那樣,利用來自當前和未來引力波實驗的信息,有望為天體物理學、宇宙學和基礎物理學中尚未解決的問題提供解決方案。(任天)

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