小小黑洞如何成長為超級「怪獸」

　　黑洞通過吞噬周圍的物質而逐漸長大，那些物質會在黑洞周圍聚集成盤，摩擦生熱到極高的溫度，發出耀眼的光芒，產生磁場驅動物質在噴流中向外疾馳。　

　　它們是宇宙中的大黑斑。不僅僅是黑洞，而是巨大無比的黑洞，質量可達太陽的數十億倍。它們無處不在，甚至在遙遠宇宙的黎明之光中也隱約可見。

　　就像散布在我們銀河系中的那些較小的黑洞一樣，超大質量黑洞也擁有扭曲空間的全套奇異特性：它們會吞噬所有落入其中的物質和光，以及那些悲慘的求救聲。不過，超大質量黑洞還保守著另一層秘密。我們知道，質量數倍於太陽的小黑洞，誕生於大質量恆星發生超新星爆發時的核心坍縮，但沒有人能夠解釋那些超大質量黑洞從何而來。

　　我們曾經以為自己可以解釋。我們一度認為，超大質量黑洞是從非常小的種子黑洞那裡，通過吞噬周圍的氣體而緩慢成長起來的。但最近的觀測表明，這絕非是故事的全部。對於這些遠古巨獸，我們需要一個全新的解釋。

　　無論是什麼造就了超大質量黑洞，它都必須打造出一支「軍團」才行。對恆星在強引力作用下高速運動所作的觀測表明，在幾乎所有的大型星系中心，包括我們銀河系的中心，都有一個巨大的黑洞。銀河系中央黑洞的質量大約是太陽的400萬倍。而在大約5000萬光年以外的巨橢圓星系M87的中心，你會發現一個質量超過太陽60億倍的黑洞。它的「事件視界」，也就是任何物質都一去不復返的那條邊界，要比海王星的軌道大將近5倍。

　　在更遙遠的地方，我們甚至看到了超大質量黑洞更為劇烈的活動跡象。被稱為類星體（quasar）的一類異常活躍的星系，中心都有一個極為明亮的光點，亮度往往超過周圍所有千百億顆恆星的總和。許多類星體還會釋放出X射線和γ射線爆發，並以99%的光速噴射出巨大的物質噴流。這正是巨型黑洞貪婪進食的跡象。盤旋著落向黑洞的氣體通過摩擦生熱，發出白亮的光芒，並且產生磁場驅動物質在噴流中向外疾馳。

遠古「巨獸」

　　超大質量黑洞的故事原本始於大爆炸後幾千萬年，當時第一代恆星正從密度最高的原始氫氦雲中形成。按照原來的故事劇情，這些恆星「先驅」的質量可達太陽的好幾百倍。這種恆星的核心很快就會坍縮，形成一個大約100倍太陽質量的黑洞。隨著這些種子黑洞吞噬落向星系中心的氣體，它們最終會成為類星體強勁有力的核心。

　　然而，在2000年，美國宇航局的錢德拉X射線望遠鏡發現了一個極為遙遠並且十分強勁的類星體。這個名為SDSS J1030+0524的類星體，我們看到的是它在大爆炸後僅9億年的模樣。它的能量輸出非常強烈，必定出自一個質量超過太陽10億倍的黑洞。

　　這個怪物是怎麼以如此之快的速度長到這麼大的？黑洞吞食的氣體越多，它發出的光和其他輻射就越強。最終，這個黑洞會因自己的耀眼光芒而忍飢挨餓，因為向外輻射的光會越來越強，強到驅散所有落向黑洞的氣體，切斷它的「食物」供應。理論上講，一個黑洞至少要花3000萬年才能做到質量翻番。對太陽附近近距離黑洞行為的觀測也支持這一理論。

　　從太陽的100倍跨越到10億倍，黑洞的質量需要翻番23次，因此從理論上講，SDSS J1030+0524中的黑洞需要大約7億年時間才能長成。但是，還需要給這個黑洞的種子量身定做一個氣體供給源才行。黑洞的周邊極有可能混亂而多變，因此如此迅速、如此長時間的吞噬氣體實非易事。美國哥倫比亞大學的理論天體物理學家佐爾坦·海曼（Zoltan Haiman）說：「假設黑洞由始至終一直都能吸積氣體，這是有問題的。」

　　不過，SDSS J1030+0524或許是一個特別罕見的黑洞，在長達10億年的大部分時間內一直都能夠狼吞虎咽。美國耶魯大學的天體物理學家普里亞·納塔拉詹（Priya Natarajan）說：「一個特殊的天體，總是可以用特例來解釋。」但是，我們已經在同樣遙遠的距離上，發現了更多這樣的黑洞。「當出現了一批這樣的天體時，特例就行不通了，必定有某種自然的方式來造就它們。」

　　每一個新的發現都在為此加壓。2012年，一個研究團隊使用位於夏威夷的英國紅外望遠鏡觀測了類星體ULAS J1120+0641——這個類星體擁有一個質量約為太陽20億倍的黑洞，而它所處的時間是大爆炸後僅7.7億年。如果從太陽質量的100倍開始，理論指出，這個黑洞至少要花大約7.5億年才能長到如此巨大。

　　最近對第一代恆星形成過程的研究，也讓「小小種子成長為超大黑洞」的說法變得更講不通了。新的計算機模擬更詳細地追蹤了形成第一代恆星的氣體雲坍縮的過程，發現它們往往會碎裂成比我們之前預想的還要更小的碎塊，產生的恆星質量不會超過太陽的大約50倍。在超新星爆炸後，這些恆星形成的黑洞就只有太陽質量的大約10倍——對於原本預期的類星體種子而言，這樣的個頭實在令人失望。納塔拉詹說：「它們根本就不夠大。」

　　不僅如此，常見的恆星質量黑洞應該會遍布每一個年輕星系。其中一些會沉入星系中心，提供種子形成更大質量的黑洞，因此即便是質量較小的星系，現在也應該有一個令人印象相當深刻的中央黑洞才對。但是，我們看到的情況並非如此。2012年，美國普林斯頓大學的珍妮·格林（Jenny Greene）發現，在總質量約為太陽10億倍的小型星系中，只有大約半數擁有中央黑洞。

　　結論似乎只有一個：我們需要質量更大的種子黑洞。

　　　傳統觀點認為，超大質量黑洞始於第一代大質量恆星發生超新星爆炸之後形成的種子黑洞。它們的質量原本只有太陽的幾十倍，在長達數億年的時間內吞噬周圍的物質，最終成長為龐然大物。但這個觀點，最近受到了類星體觀測的挑戰。圖片來源：《新科學家》更大的種子

　　有一種可能是，超大質量黑洞並非始於單顆恆星，而是許多顆。美國西北大學的弗雷德·拉西奧（Fred Rasio）說：「我們知道，在宇宙歷史的早期，恆星往往會大規模爆髮式形成。」2003年，他對正有數百顆明亮的年輕恆星在其中形成的古老星團進行了計算機模擬。質量最大的恆星往往會聚集在中心附近，彼此之前發生碰撞幾乎不可避免。「你會得到一個質量比太陽大好幾千倍的天體，」拉西奧說，「我可不想稱它為恆星。」接下去會發生什麼，很難用計算機模型來加以模擬。拉西奧比較靠譜的猜測是，這個天體會坍縮成一個黑洞，質量或許相當於太陽的上千倍。

　　這個主意不錯。如果我們能在今天的星團中找到類似的中等質量黑洞，那就更好了。在近距離星系中，天文學家已經找到了一些挺有希望的候選者，它們被稱為極亮X射線源（ULX）。它們看上去足夠明亮，似乎是由較大的黑洞來驅動的。但在2011年，對鄰近的仙女座大星系中一個極亮X射線源的觀測顯示，它的特徵光譜與行為方式跟銀河系中只有大約10倍太陽質量的小黑洞一模一樣。其他極亮X射線源中的黑洞，或許也只有這麼小。

　　無論如何，即使是一個質量相當於太陽1000倍的種子黑洞，也必須要經歷20次質量翻番，才能夠成長為10億倍太陽質量的超大黑洞。要解釋類似ULAS J1120+0641這樣的天體，黑洞幾乎不停地狼吞虎咽仍然是必需的。

　　或許，我們必須要考慮一些更大的東西了。比方說，既然小黑洞是在恆星核心的坍縮中形成的，那巨型黑洞會不會是星系核心坍縮的結果？

　　這種可能性最早是在1978年，由英國劍橋大學的馬丁·里斯（Martin Rees）提出的。這個想法聽起來簡單，但要在星系中心塞進這麼多物質並不容易。要過的第一關，就是自轉。即使是最早的原星系，在鄰近星系引力的作用下，也會帶有一點點旋轉。當它們收縮的時候，其中的氣體會轉得越來越快，就像被捲入龍捲風的空氣。最終，旋轉會與引力達到平衡，形成一個自轉的氣體盤，幾乎沒有物質落入星系最內側幾百光年的範圍之內。

　　到了上世紀90年代，拉西奧和美國哈佛大學的亞伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）證明，這一障礙是可以逾越的。如果一個原星系自轉緩慢並且密度較高的話，它的核心就會變得不穩定。過多的氣體會聚集形成旋轉的棒狀結構，它們會像齒輪傳動裝置那樣，把轉動向外傳遞。這樣一來，原星系的中心就能坍縮成一個密度高得多的結。

　　下一步會怎樣還不確定，但根據里斯及他當時在美國科羅拉多大學博爾德分校的同事瑪爾塔·瓦倫特里（Marta Volonteri）和米切爾·比格爾曼（Mitchell Begelman）在2006年進行的計算，一種可能的結果就是形成巨大的「類恆星」—— 一個稠密的氣體繭，包裹在中央的小黑洞周圍，直徑可達上億千米。這個繭巨大的重量會迫使物質掉入黑洞，在短短几千萬年時間裡把它餵養到太陽質量的100萬倍。這麼大質量的種子黑洞足以讓理論與觀測結果相符：它的質量只需要翻番10次就能達到太陽的10億倍。就算是在氣體供應不那麼充足的情況下，在7億年的時間裡做到這一點也綽綽有餘。

　　但問題依然存在。在最初的坍縮過程中，氣體很容易碎裂成小團塊，它們會聚合形成恆星，從「類恆星」中奪取物質。其中一些恆星會發生超新星爆發，驅散周圍的氣體，扼制黑洞的生長。有一些辦法可以繞開這個問題：附近如果有大量恆星正在密集形成的話，那些所謂的「星暴」過程發出的紫外輻射會加熱這些氣團，阻止它們聚合；湍流或許也能夠防止氣體碎裂成小團塊。然而，在許多天文學家看來，這些補救措施似乎太過刻意了。「直接坍縮需要進行大量的微調，」拉西奧如此評論。

　　這些失敗是否意味著，有一些我們完全陌生的機制在起作用？最激進的想法或許是，巨型黑洞由大爆炸的烈焰直接鑄造，就在物質和輻射驟然發生重新排列，即發生「相變」的那些混亂時刻。比如說，在時間開啟之後的大約1微秒，夸克聚在一起形成了質子和中子。這個過程可能是不均勻的，會產生密度的激增，變成一個質量與太陽相當的黑洞。

　　這些黑洞質量太小，不能成為我們所需的種子，但俄羅斯宇宙粒子物理學中心的謝爾蓋·魯賓（Sergei Rubin）提出，這些黑洞可能會聚集成團，迅速併合成一個巨型黑洞。另一個看起來挺有希望的相變發生在宇宙誕生之後大約10秒，電子和正電子彼此湮滅，使得宇宙空間里充滿了γ射線光子。此時，質量達到太陽10萬倍的黑洞有可能自發形成。

　　宇宙黎明時期的這些「巨獸」會吸取它們周圍的熾熱氣體，並發出明亮的X射線，在宇宙微波背景輻射中留下印記。對它們的搜尋迄今仍一無所獲，但也沒有排除存在少量罕見巨型原初黑洞的可能性，它們足以形成早期類星體的種子。

　　即便如此，大多數想要搞清楚超大質量黑洞如何起源的天文學家仍認為，原初的種子是一個太過奇怪的選項。「沒有令人信服的理由支持它們應該會形成，」比格爾曼說，「你需要一些奇怪的宇宙學理論才行。」

　　或許，所謂的「暗星」要更得人心一些。2007年，當時在美國加利福尼亞大學聖克魯斯分校任職的道格拉斯·斯波萊爾（Douglas Spolyar）及其同事提出，第一代恆星中有一些可能是由暗物質驅動的。暗物質粒子會沉到恆星的核心，在那裡碰撞並彼此湮滅，產生了一種比氫氦核聚變更為溫和的熱源。沒有了強勁的輻射吹走流入的氣體，暗星幾乎可以無限地持續增長，最終坍縮形成質量高達太陽10萬倍的種子黑洞。

　　天文學家提出了多種理論，來解釋大爆炸後僅幾億年時為什麼就已經存在質量相當於太陽10億倍的超大黑洞。這些理論的共同點是，為超大黑洞的成長尋找質量更大的種子。圖片來源：《新科學家》不歸點

　　這個想法是完全可以檢驗的。暗星會發出足夠明亮的紅外光，足以讓哈勃空間望遠鏡的繼任者、計劃於2018年發射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測到。它或許還能夠探測「類恆星」。

　　如果韋布空間望遠鏡什麼都沒有看見，我們就需要一個更加尖端的工具來窺探超大質量黑洞的起源。太空激光干涉儀（LISA）被設計用來探測引力波，這種時空漣漪是黑洞碰撞時相對論預言會產生的一種現象。LISA已經在紙上談兵的階段停留了太久，但只要它最終能夠發射升空，它將能夠探測整個宇宙中併合黑洞發出的引力波。瓦倫特里說：「到那時，應該就能輕易判斷種子黑洞究竟是大是小了。」

　　與此同時，天文學家也將在更為遙遠的空間和時間中搜尋類星體。如果在宇宙歷史的更早期依然能夠找到它們，這意味著什麼？最終，天文學家會探測到大爆炸後幾億年的某一時刻，即便從太陽質量100萬倍的種子黑洞開始，也沒有足夠的時間成長為類星體中心的超大質量黑洞。這樣的話，這些故事就沒有一個能夠奏效了。到時候，對於宇宙會什麼會滿是黑洞這個問題，我們就將真正陷入一無所知的黑暗之中。