宇宙才8億歲的時候，就已經存在超大質量黑洞，這怎麼可能？

2020-10-18 博科園

文章來自：（www.bokeyuan.net）

黑洞的質量可以比太陽大幾十億倍，但正如觀察發現的那樣，超大質量黑洞，怎麼可能在現在138.2億歲宇宙「剛剛」8億歲的時候就已經存在了？對於天體物理學家來說，在如此短的時間內形成這些宇宙怪獸黑洞，確實是一個令人頭疼的科學問題，這對目前對黑洞這些天體演化的認識提出了重要問題。

國際高級研究學院博士生Lumen Boco和導師Andrea Lapi現在在《天體物理學》期刊上發表了一新項研究，為這個棘手的問題提供了可能的解釋。多虧了來自的裡雅斯特科學家建立的原始模型，這項研究提出了一個在超大質量黑洞演化的初始階段，而且非常快的形成過程，而到目前為止，這些過程被認為是較慢的。

研究結果從數學上證明了超大質量黑洞在年輕宇宙中存在是可能的，研究結果調和了黑洞「生長」過程中所需的時間和宇宙年齡的限制。未來的引力波探測器（愛因斯坦望遠鏡和麗莎），可以為這一理論得到充分的驗證，但也可以用目前先進的LIGO/Virgo引力波天文臺在幾個基本方面進行測試。科學家們從一個眾所周知的觀測證據開始研究：超大質量黑洞的增長發生在星系中心區域。

星系中心的宇宙怪獸

這些星系是當前橢圓星系的前身，那裡的氣體含量非常高，恆星形成非常強烈。超大質量恆星的壽命很短，很快演化成恆星黑洞，大到太陽質量的幾十倍，相比之下雖然很小，但很多都是在這些星系中形成的。形成的恆星黑洞周圍緻密氣體具有非常強大的動摩擦力決定性效應，並使它們非常迅速地遷移到星系中心。到達中心區域的眾多黑洞，大多數會相互較量吞噬合併，形成超大質量的黑洞種子。

根據經典理論，一個超大質量黑洞在星系的中心生長，捕獲周圍的物質，主要是氣體，自己『生長』，最後以與其質量成正比的節奏吞噬它。因此，在黑洞發展的最初階段，當黑洞的質量很小時，增長非常緩慢。根據計算，要達到觀測到的質量，即使是太陽的數十億倍，也需要很長的時間。然而，研究表明，事情可以發展得比這快得多。

黑洞瘋狂式的增大

研究的數值計算表明，恆星黑洞的動態遷移和聚變過程，可以使超大質量黑洞種子在短短1~5億年內達到太陽質量的1萬~10萬倍。在這一點上，根據前述標準理論所設想氣體的直接吸積，中心黑洞的增長將變得非常快，因為它成功吸引和吸收的氣體數量將變得非常巨大，並在研究提出的過程中佔據主導地位。

然而，正是本研究機制所設想從如此大的黑洞種子開始的事實，也是在年輕宇宙中，加速了超大質量黑洞的增長，並允許其形成。簡而言之，根據這個理論，我們可以說宇宙8億歲時就可以並存在了超大質量黑洞。研究除了說明模型並證明其有效性外，還提出了一種測試方法：大量恆星黑洞與位於中心的超大質量黑洞種子融合將產生引力波。

「看」超大質量黑洞種子的生長

所以，可以用目前和未來的引力波探測器看到和研究這些引力波。特別是，當星系中央黑洞種子還很小的時候，在初始階段發出的引力波將可以被像Advanced LIGO/Virgo這樣的引力波天文臺探測器進行識別，並可以由未來的愛因斯坦望遠鏡完全表徵。未來的探測器Lisa，使得超大質量黑洞的後續演化階段可以被進行研究，該探測器將在2034年左右發射到太空。

通過這種方式，研究提出的黑洞演化過程，可以通過未來的引力波探測器，以互補的方式在其不同階段進行驗證。本研究表明，研究人員正在如何充分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，如此次設計的模型，它將有助於利用當前和未來引力波實驗中獲得的信息，從而有望為與天體物理、宇宙學和基礎物理有關懸而未決的問題提供解決方案。

博科園｜研究/來自：國際高級研究學院

參考期刊《天體物理學》

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