科學松鼠會 ? [小紅豬]饕餮盛宴：黑洞如何迅猛擴張？

06-11

本文為小紅豬搶稿第80期譯文

譯者：瑪雅藍

校對：綿羊C

小紅花等級：3.5朵

即使是在最原始的宇宙中，也有超大質量黑洞吞噬氣體的身影。但現有的理論仍無法解釋它們的存在。

它們是宇宙中的巨型黑點。那不是普通的黑洞，而是質量為太陽數十億倍的巨型黑洞。它們無處不在，甚至在宇宙曙光期之前就已經隱約可見。

和那些裝點了銀河系的小個子親戚一樣，超大質量黑洞也會扭曲時空，也會毫不留情地吞噬一切物質，吞噬光線和求救的呼喊，但它們自有一種神秘之處。我們知道，質量數倍於太陽的小型黑洞誕生於大型恆星的核心坍縮成超新星的時刻，但沒人能解釋這些巨無霸是怎麼來的。

我們曾經自以為找到了答案。過去，科學家認為超大質量黑洞是很小的種子緩慢膨脹而形成的（如下圖）。但最近的觀測顯示，真相不止如此。我們需要新的理論來解釋這些遠古巨怪的形成。

不管是什麼成就了超大質量黑洞，那必定是一個龐然大軍。通過觀測在巨大引力作用下旋轉的恆星，科學家推測幾乎每個大型星系的中心都有一個巨大的黑洞，包括我們的星系。銀河系的質量是太陽的500萬倍。在大約5千萬光年之外，有一個達到60億倍太陽質量的黑洞，它的事件視界（物體一旦越過即無法逃脫的邊界）大小几乎是海王星軌道的五倍。

在更遙遠的地方，超大質量黑洞存在的跡象更加讓人驚嘆。特別活躍的星系被稱為類星體，它們的中心有一個明亮的光點，能掩蓋附近數十億恆星發出的光亮。許多類星體還會燃起X射線和伽馬射線的烈焰，並以99%光速的速度噴射出物質流。這些跡象都表明，巨型黑洞正在那裡胡吃海喝。氣體被吸入黑洞時不斷旋轉，因摩擦而發熱，發出白熱的輝光，併產生了磁場。這磁場會使物質流向外高速噴出。

傳統觀念認為超大質量黑洞形成於大爆炸發生後數千萬年，彼時第一代恆星正從密度最高的原始氫氦星雲中產生。這些先鋒者的質量大約是太陽的數百倍，隨著時間推移，它們的核心很快坍塌，形成大約100倍太陽質量的黑洞。種子吞噬著氣體，繼續生長漸漸沒入星系中心，最終成為類星體的強大內核。

然而在2000年，NASA（美國國家航空航天局）的錢德拉X射線望遠鏡發現了一個遙遠而強大的類星體SDSS J1030+0524。我們看到的它正處於大爆炸之後僅9億年，它釋放的巨大能量只可能來自於一個質量超過太陽10億倍的黑洞。

這頭怪獸怎麼能生長得如此迅速，如此巨大？黑洞吞噬的氣體越多，它釋放的光線和其他輻射也越強烈。最終，黑洞會在它噴射出的燦爛光華中耗盡能量：它釋放的光線流如此洶湧，捲走了所有本該進入黑洞的氣體，切斷了黑洞的食物來源。通過研究鄰近黑洞的行為，我們從理論上推斷黑洞的體積最快每3000萬年就能翻一倍。

理論推測，為了實現從100倍到10億倍太陽質量的飛躍，也就是說要讓質量翻上23番，SDSS J1030+0524中的黑洞的年齡大約在7億年。但那需要一個完美的氣體源，以滿足黑洞擴張的需要。一個黑洞的周圍環境通常一團混亂而且瞬息萬變，因此達到這個擴張速度並不容易。紐約哥倫比亞大學的理論物理學家佐爾坦?海曼（Zoltan Haiman）表示："很難想像，這個環境能源源不斷地產生氣體。"

無論如何，SDSS J1030+0524仍然是一個特例，很少有黑洞能夠幾乎不停地大吃大喝個十億年。耶魯大學的天文物理學家普利婭?納塔拉讓（Priya Natarajan）說："一個特殊的天體你總是可以用特例來解釋。可如果有一群這樣的天體，就必然存在一種它們自發形成的方式。"

每一個新發現都在帶來更多壓力。去年，一個研究團隊用英國位於夏威夷的紅外望遠鏡觀察了一個名為ULAS J1120+0641的類星體，觀察下的它處於大爆炸後7.7億年，質量大約是太陽的20億倍。根據理論，從100倍太陽質量開始，它至少要生長大約7.5億年才能達到這樣的規模。

最近對首批恆星形成機制的研究進一步撼動了超巨質量黑洞從小長大的理論。不斷收縮的氣體雲是超重黑洞誕生的搖籃，最新的計算機模擬對它們進行了更長時間的追蹤，發現它們比我們設想的更容易分裂成小塊，產生的恆星質量不超過太陽的50倍。在膨脹之後，它們會形成質量僅為太陽10倍的黑洞，遠遠不足以成為準類星體的種子。納塔拉讓說："它們就是不夠大。"

而且，普通的恆星質量黑洞本該廣泛形成於每個早期星系之中。它們中的一部分會沒入星系中心，成長為質量更大的黑洞，因此，到了今天，即使是較小的星系中央也應該有一個質量較大的黑洞。但這並不符合觀測結果。去年，普林斯頓大學的珍妮?格林（Jenny Greene）發現，在總質量約為太陽十億倍的小型星系中，只有大約一半存在中心黑洞。

似乎結論只有一個：我們需要一顆更大的種子。（如下圖）

一個可能的情況是，超巨質量黑洞不是由單一一顆恆星形成的，而是多顆恆星。來自位於伊利諾斯州埃文斯頓的西北大學的弗雷德?拉西歐（Fred Rasio）說："我們知道，在早期宇宙中恆星形成於暴炸異常活躍的區域。"他在2003年對早期星團進行了模擬，那裡有數百個明亮的幼年恆星正在萌芽。質量較大的恆星湧向星系中心，不可避免地發生了碰撞。"那東西說不上是恆星，它的質量大約是太陽的數千倍，"他說。接下來發生的事情就不容易模擬了。拉西歐推測，它可能會坍縮，形成一個黑洞，質量為太陽的幾千倍。

這個想法真不錯，如果我們能在今天的星團里找到相似的中等質量黑洞就更好了。我們在附近的星系裡發現了一些有希望的候選者——極亮X射線源（ultraluminous X-ray source，簡稱ULX）。它們的亮度似乎足夠顯示一個大型黑洞的存在。但在2011年，對我們的鄰居仙女座星系中的一個ULX的觀測顯示，它的特徵譜線和行為都和我們的銀河系中心的小型黑洞相同，質量大約是太陽的10倍。其他ULX可能也只有這麼小。

無論如何，即使是1000倍太陽質量的黑洞種子，也需要讓自身質量翻上20番才能成為10億太陽質量級別的巨怪。為了長成像ULAS J1120+0641這樣的怪物，幾乎所有的種子都需要不停地吸收物質。

也許我們需要更大膽的設想。如果說小型黑洞是恆星內核坍縮的時候形成的，那麼大型黑洞會不會形成於星系中心的坍縮呢？

這個設想最初是劍橋大學的馬丁?里斯（Martin Rees）在1978年提出的。它似乎簡單而有說服力，但要把那麼多物質塞進星系中心並不容易。第一道障礙是自轉。在鄰居們的引力作用下，即使最早的原星系也存在微小的自轉。星系收縮的時候，氣體旋轉速度加快，就像被卷進龍捲風的空氣。最終，向心力和引力達到平衡，形成一個半徑幾百光年內幾乎沒有任何物質的氣體轉盤。

上世紀90年代，拉西歐和哈佛大學的阿伯拉罕?羅伯（Abraham Loeb）提供了一個解決方案。如果一個原星系旋轉速度較慢，密度較大，它的內核可能不穩定。多餘的氣體逐漸累積，形成旋轉的細長氣體帶，就像被重力驅動的齒輪，把內部的旋轉帶到外部。原星系的內核可能因此坍縮，成為一個密度大得多的結。

下一幕劇情還未寫就，但里斯和他當時的同事博爾德市科羅拉多大學的瑪塔?沃倫特利（Marta Volonteri）、米歇爾?伯格爾曼（Mitchell Begelman）在2006年進行了運算，結果顯示可能出現一顆巨大的"類恆星"。這是一個稠密的包裹著小型中心黑洞的氣體繭殼，它的厚度約為數億公里。繭殼的巨大質量迫使物質進入黑洞，只要幾千萬年就可以把黑洞增重到太陽的一百萬倍。這麼一顆沉甸甸的種子或許能使理論與觀測結果相符：它只要把質量翻上10番，就能達到十億倍太陽質量。即使沒有一個精確平衡的氣體供應源，這個過程在7億年的時間限制下也能完成。

但仍有問題懸而未決。在最初的坍塌過程中，氣體容易分散形成小團，進而聚集、燃燒並形成恆星，使得"類恆星"無法獲得充足的物質。其中一些恆星會演化成超新星，它的爆發會摧毀氣體供應來源，阻斷黑洞的生長。不過這個問題可以解決：附近的星暴產生的紫外線輻射會加熱氣團，阻止它們結合；星暴的擾動也可能干擾氣團的聚集。然而，許多天文學家認為這個解釋過於牽強。拉西歐就表示："直接的坍縮受許多微妙的因素影響。"

理論猜想一再落敗，事實會不會比我們想像得更加離奇？最大膽的猜想是，巨型黑洞直接形成於大爆炸之後的烈焰中。那是個混亂的相變過程，物質和輻射突然自行重組，例如在宇宙的第一個毫秒中，夸克聚集起來形成了質子和中子。這個進程可能是不均勻的，因此在密度超高的地方就形成了黑洞，質量大約和太陽相當。

作為一個種子這也還是太小了。但來自俄羅斯莫斯科的宇宙粒子物理研究中心（Center for CosmoParticle Physics）的謝爾蓋?魯賓（Sergei Rubin）猜測，這些黑洞可能會聚集起來，迅速變成一個大型黑洞。第二次相變發生在第10秒左右，電子和正電子彼此湮滅，留下充斥著伽馬射線光子的的空間。這時，最大可達10萬倍太陽質量的黑洞可能瞬間形成。

這些原始宇宙中的龐然大物可能會吞噬著周圍的氣體並發出強烈的X射線輻射，在宇宙微波背景輻射中留下痕迹。目前的研究仍未發現這些痕迹，但也沒有排除少量罕見巨型原始黑洞存在的可能性，它們足以成為早期類星體的種子。

即便如此，大多數研究超大質量黑洞來源的天文學家仍然認為，原始種子的存在並不必要，甚至有些不合理。伯格爾曼說："並沒有令人信服的論據能證明它們為什麼要形成。你需要應用更奇特的宇宙學理論。"

可能暗星理論更符合科學家的口味。2007年，當時在加利福尼亞大學聖克魯茲分校工作的道格拉斯?史波利亞（Douglas Spolyar）和同事們猜想，第一代恆星可能是由暗物質供應能量的。暗物質粒子進入星球中心，互相碰撞和湮滅，產生的熱量比氫氦核反應要小。暗星不會用強烈的輻射推開靠近的氣體，因而幾乎可以無限生長，直到坍塌形成大約10萬倍太陽質量的黑洞種子。

不歸之點

這個理論完全可以檢驗。暗星發出的紅外線足以被哈勃望遠鏡的繼任者——詹姆斯?韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）探測到。它預計在2018年升空，還可能探測到"類恆星"。

如果它一無所獲，我們還需要更精巧的工具來追尋超大質量黑洞的來源。相對論認為黑洞相撞會產生大量的引力波，即不斷傳播的空間翹曲，太空激光干涉儀（Laser Interferometer Space Antenna，簡稱LISA）的設計目標就是探測引力波的存在。長期以來，LISA一直在努力脫離圖紙走向現實，但一旦它被發射到太空中，就能探測到四面八方正在融合的黑洞發出的引力波。

與此同時，天文學家還將在更遙遠的時空中搜尋類星體的身影。如果他們又發現了出現在宇宙更早期的類星體那該怎麼辦？最終他們會在大爆炸發生的幾億年後找到類星體，即使從一個一百萬倍太陽質量的種子開始生長，幾億年時間也不夠形成這樣的超大質量黑洞。如果是這樣，上面的理論就得統統推翻，我們將繼續陷入無知的黑暗，迷失在充滿黑洞的宇宙中。

關於本文

本文最初以"巨怪合體"的標題發表。

作者史蒂芬?倍特斯比（Stephen Battersby）是《新科學家》的顧問，雜誌總部位於倫敦。

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