「直接坍塌」的黑洞可以解釋宇宙中神秘類星體_【今日爆點】

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宇宙中最遠的X射線射線，來自於類星體GB 1428，其距離和年齡大致相同，如類星體S5 0014 + 81;兩者距離光年都有120多億光年。圖片/版權:X-ray:NASA/CXC/NRC/C.Cheung et al; Optical: NASA/STScI;Radio: NSF/NRAO/VLA

當我們看到宇宙早期最明亮，最有活力的天體時，會有一個很大的問題。在第一批恆星和星系形成後不久，發現了第一批類星體:從電波到X射線，輻射的光線都是跨越電磁波譜的。只有一個超大質量的黑洞才有可能成為這些宇宙巨獸之一的引擎，而像類星體、blazar和AGNs等活躍物體的研究都支持這一觀點。但是有一個問題:可能很難有這麼大的黑洞來解釋我們所看到的這些年輕的類星體。除非，這是一種新的方法來製造黑洞，今年天文學家找到了直接坍塌黑洞的第一個證據，這可能會導致我們長期以來尋求的解決方案。

雖然遙遠的類星體和活躍的星系核可以在可見光/紅外光下成像，但是在X射線和電磁波譜中，最好能夠看到它們自身和周圍的發射，正如銀河大力神A所示需要一個黑洞這樣的一個引擎。圖片版權:NASA,ESA,S. Baum and C. O"Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

通常被稱為「活躍星系」，幾乎所有的星系都在其中心具有超大質量黑洞。但只有少數發射出與類星體或AGN相關的強烈輻射。領先的思想是超大質量黑洞會對物質起反應，加速和加熱，導致它發生電離和發光。根據科學家們觀察到的光線可以成功地推斷出中心黑洞的質量，這個質量經常達到太陽質量的數十億倍。即使是最早的類星體，如 J1342 + 0928，在宇宙大爆炸之後的六億九千萬年，也能達到八億倍太陽質量:當時宇宙只有當前年齡的5%。

概念圖展示了迄今為止發現最遙遠超大質量黑洞，它是大爆炸後6億9千萬年前類星體的一部分。圖片版權:羅賓·迪納爾/卡內基科學研究所

如果試圖以傳統方式製造一個黑洞。那就是讓大質量恆星變成超新星，形成小黑洞，並將它們合併在一起，就會出現問題。恆星的形成是一個劇烈的過程，就像核聚變點燃時，強烈的輻射會燃燒掉剩餘的氣體，否則就會逐漸形成越來越大的恆星。從附近的恆星形成區域到我們觀測到的最遠的區域，同樣的過程似乎也在發生，阻止恆星(以及黑洞)在一定質量之外形成。

對宇宙第一批形成恆星的概念圖看，雖然恆星可能會到達幾百甚至上千個太陽質量，但是很難看到你如何能得到黑洞質量，最早的類星體是已知的。圖片版權:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

有一個非常強大和引人注目的標準場景:超新星爆炸，引力相互作用，然後通過合併來增長。但是我們看到的早期類星體的質量太大，無法用它來解釋。另外一條已知的合併中子星的方法來創造黑洞，並沒有提供進一步的幫助相反，第三種直接坍塌的情況是可能的。這個想法在過去一年得到了三個證據的支持:

1、超年輕類星體J1342 + 0928的發現，擁有數百萬唄太陽質量的黑洞

2、理論表明，如果直接崩潰的情況是真的，可以形成比超新星所形成早幾千倍的早期「種子」黑洞。

3、而通過直接崩潰發現成為黑洞的第一顆恆星，驗證了這個過程。

除了由超新星和中子星合併形成之外，通過直接塌縮形成黑洞應該是可能的。這裡所示的模擬表明，在正確的條件下，在宇宙的早期階段可能會形成10萬到100萬個太陽質量的種子黑洞。圖片版權:Aaron Smith / TACC / UT-Austin

通常情況下，它是宇宙中最熱，最年輕，最龐大，最新的恆星會形成黑洞。宇宙早期有很多這樣的星系，但也有很多原始星系都是氣體，塵埃和暗物質，而且還沒有恆星。在這個浩瀚的宇宙中，我們甚至發現了一個這樣的一對星系的例子:其中一個已經瘋狂地形成恆星，另一個可能還沒有形成。這個超遙遠的星系被稱為CR7，擁有大量的年輕恆星，附近有一塊發光氣體，可能還沒有形成一顆恆星。

去年被發現的遙遠的星系CR7是由宇宙大爆炸直接形成的原始恆星組成的。其中一個星系絕是恆星;另一個可能還沒有形成。圖片版權:M. Kornmesser / ESO

在今年3月份發表的一篇理論研究報告中，介紹了一種從這種機制中產生直接坍塌黑洞的迷人機制。一個年輕發光的星系可以照亮附近的一個夥伴，它可以阻止氣體從碎片中分裂形成微小的團塊。通常情況下，這些微小的團塊會坍縮成單顆恆星，但是如果不能形成這些團塊，那麼就可以將大量的氣體單片塌陷成一個單一的結構。引力就會產生作用結果可能是一個黑洞，它的質量是太陽的10萬倍，甚至可能達到100萬倍太陽質量。

遙遠的大規模類星體的核心表現出超大質量的黑洞。沒有大種子就很難形成，但是直接倒塌的黑洞可以很好的解決這個難題。圖片版權:J. Wise/Georgia Institute of Technology and J. Regan/DublinCity University

然而，有許多理論機制是有趣的，但在實際的物理環境中卻沒有被證實。是否可以直接坍塌?我們現在可以肯定地回答這個問題，「是的」，因為第一個足夠大到可以形成超新星的恆星被認為是簡單的消失了，沒有煙花，沒有爆炸，沒有增加亮度。只有一顆恆星，一瞬間被黑洞取而代之。正如哈勃望遠鏡前後發現的那樣，毫無疑問，黑洞的直接坍塌發生在我們的宇宙中。

來自哈勃望遠鏡的可見光/近紅外照片顯示了一顆大質量的恆星，大約是太陽質量的25倍，它已經不存在了，超新星或其他不能夠解釋。直接坍塌是唯一合理的候選解釋。圖片版權:NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

把這三個信息放在一起就會看到這些超大質量黑洞是如何如此形成的:

1、一個空間區域坍縮形成恆星，而附近的空間區域也經歷了引力坍縮，但尚未形成恆星。

2、有恆星的區域會釋放出強烈的輻射，在那裡光子的壓力使其他雲中的氣體從碎片變成可能的恆星。

3、塵埃雲本身繼續崩潰，以一種單一的方式進行。它像這樣消耗能量(輻射)，但是裡面沒有任何恆星。

4、當質量超過臨界閾值時，可能是數十萬甚至上百萬倍的太陽質量，直接坍縮形成黑洞。

5、從這個龐大的早期種子黑洞，很容易通過引力，合併，增長和時間的物理學得到超大質量的黑洞。

這可能不僅是可能的，而且隨著新的無線電望遠鏡陣列的建造，以及詹姆斯韋伯太空望遠鏡，我們也許能夠見證這個過程。

Karl Jansky超大陣列的一小部分，是世界上最大和最強大的射電望遠鏡陣列之一。圖片版權:John Fowler

CR7星系很可能是許多類似物體的一個例子。正如直接坍塌機制背後的理論家沃爾克·布羅姆(Volker Bromm)先前所說的那樣，一個附近的發光星系會導致附近的氣體雲直接坍縮。所有需要做的是從一個開始:原始的氫和氦雲，瀰漫在紫外線輻射的海洋中。在暗物質暈的引力場中碾碎這片雲。通常雲能夠冷卻，碎片化，形成恆星，但是，紫外線光子使氣體保持高溫，從而抑制任何恆星的形成，這些都是想要的，近乎不可思議的條件:坍塌而不分裂!當氣體變得越來越緻密時，最終會形成一個巨大的黑洞。

我們觀測到的直接坍縮的恆星在亮度降至零之前，呈現出短暫的光亮，這是超新星爆發的一個例子。對於一大團氣體來說，發光是可以預期的，但是沒有必要以這種方式形成黑洞。圖片版權:NASA/ESA/P. Jeffries (STScI)

幸運的是到2020年，這一個長期存在的謎團，最終可能會被解開。