第一個超大質量黑洞形成時是什麼樣子的?

現代天體物理學面臨的最大挑戰之一，是怎樣描述宇宙如何從一個沒有行星、恆星或星系的統一的地方，變成我們今天看到的豐富、結構多樣的宇宙。在我們所能看到的遙遠的過去，當宇宙只有幾億歲的時候，我們發現了許多迷人的物體。大量的恆星和星團存在;擁有十億個恆星的星系照亮了宇宙;即使是擁有巨大黑洞的類星體，在宇宙誕生10億年前就已經形成了。

但是，宇宙是如何在如此短的時間內製造出如此巨大的黑洞的呢?經過幾十年的相互衝突，科學家們終於知道發生了什麼。

第一次形成恆星

在大爆炸後的五千萬到一億年間，第一批恆星開始形成。巨大的氣體雲開始坍縮，但由於它們僅由氫和氦組成，它們很難將熱量散發出去並分散能量。因此，這些重力形成和生長的團塊需要比今天形成恆星的團塊大得多，這對形成什麼樣的恆星有影響。

而今天，我們形成的恆星質量大約是太陽質量的40%，第一批恆星的平均質量大約是太陽質量的25倍。因為你需要冷卻才能坍縮，只有在早期形成的最大，最大的團塊才會形成恆星。「第一顆恆星」的平均質量可能是太陽的10倍，許多單個恆星的質量可能達到太陽的數百倍甚至1000倍。

每個恆星類別的溫度範圍

這些恆星中的大多數將在超新星中結束它們的生命，導致中子星或小質量黑洞的形成。但是，如果沒有任何重元素，最大質量的恆星將在其核心達到如此高的溫度，以至於光子(光的單個粒子)會變得如此充滿活力，導致它們會自發地開始從純能量中產生物質和反物質對。

你可能聽說過愛因斯坦的E = mc2，這可能是它最強大的應用:一種像光子一樣的純能量，只要遵守支配自然的基本量子規則，就能產生巨大的粒子。製造物質和反物質最簡單的方法是讓光子產生電子/正電子對，如果溫度足夠高，它們就會自行發生。

在這些超大質量恆星中，就像在所有恆星中一樣，引力試圖將所有物質拉向中心。但是光子，以及這些恆星核心所產生的所有輻射，會將恆星推回去，並將其支撐起來，防止其坍縮。

然而，當你開始從這些光子中產生正電子對時，你就失去了一些輻射壓力。你耗盡了恆星抵抗重力崩潰的能力。雖然確實有一些狹窄的質量範圍導致恆星完全自我毀滅，但很大一部分情況會導致整個恆星直接塌縮形成黑洞。

這是了不起的一步!這意味著，擁有數百倍甚至1000倍太陽質量的最巨大的恆星，可以在宇宙只有1億年左右的時候形成:還不到目前年齡的1%。這些恆星會以最快的速度燃燒它們的核燃料，在一百萬到兩百萬年內達到最高。然後它們的核心會變得非常熱，開始把光子變成粒子和反粒子，這會導致恆星坍縮並加速升溫。

一旦你跨過某個門檻，你所能做的就是崩潰。這也不僅僅是理論;事實上，我們已經看到恆星在沒有超新星的情況下直接坍縮，只能形成一種叫黑洞的東西。

一顆質量約為太陽25倍的大質量恆星消失

但這只是開始。當你有一大群主要在重力作用下的大質量物體時，不同的物體就會被這些相互作用踢來踢去。質量最小的物體是最容易彈出的，而質量最大的物體是最難彈出的。當這些恆星、氣體雲、團塊和黑洞在周圍跳舞時，它們就會發生所謂的質量分離:最重的物體會落到引力中心，在那裡它們相互作用，甚至會合併。

突然之間，不再是幾百個質量為幾百個或幾千個太陽質量的黑洞，你可以得到一個質量為100000個太陽質量甚至更多的黑洞。

災難性事件發生在整個銀河系和整個宇宙

儘管，從引力的角度來看，這可能需要數千萬年的時間才能發生，但這僅僅是一個星團而已!宇宙從最初的階段開始，就在各處形成了這些星團，然後這些星團開始相互吸引。隨著時間的推移，這些不同的星團將相互影響，而重力將它們聚集在一起。

當宇宙還不到2億5千萬年的時候，它們就已經開始大規模地融合在一起，形成了第一個原始星系。引力是一種真正有利於佔上風者，隨著時間的推移，最初的、早期的星系團可能聚集在一起，形成越來越大的星系。宇宙網導致結構合併成更大的結構。

當我們到達第一個星系時，這可以很容易地把我們帶到數以千萬計的太陽中。不僅僅是黑洞合併在一起在中心形成超大質量黑洞。這些早期的星系是緊湊的物體，充滿了恆星、氣體、塵埃、星團、行星等等。任何東西只要離黑洞太近，就有被吞噬的危險。

記住，重力是一個逃逸的力:你擁有的質量越多，你吸引的質量就越多。如果某物離黑洞太近，它的物質就會被拉伸和加熱，它就會成為黑洞吸積盤的一部分。其中一些物質會被加熱並加速，在那裡它可以發射類星體噴射物。但也會有一部分落入黑洞，導致黑洞質量進一步增加。

洞以物質為食

如果有一個詞彙是天體物理學家通過利用重力來研究物體的增長，他們希望普通大眾知道的，那就是這個奇怪的詞:非線性。當你有一個密度大於平均密度的空間區域，它優先吸引物質。如果密度比平均密度高几個百分點，引力的作用就比平均密度高几個百分點。你的密度翻倍，你的密度翻倍，你就能更有效地吸引物質。

但是，當你達到了平均水平的兩倍時，你吸引其他物質的能力就會提高一倍多。當你開始「贏得」引力戰爭時，隨著時間的推移，你越贏越難。因此，面積最大的地區不僅生長最快，而且吃周圍的所有東西。當5億年過去的時候，你會變得巨大。

我們所發現的最早的星系和類星體是我們預期存在的最明亮、最龐大的星系之一。他們是早期宇宙引力戰爭中的大贏家:終極的宇宙霸主。當我們的望遠鏡發現它們的時候，在大爆炸後的4億到7億年間(最早的類星體來自6億9千萬年前)，它們已經擁有了數十億顆恆星和數以億計太陽質量的超大質量黑洞。

但這不是一場宇宙大災難;這是一個證據，展示了我們宇宙中萬有引力的失控力量。在第一代恆星和它們產生的相對較大的黑洞的播種下，這些物體合併並在一個星團中成長，然後隨著星團合併形成星系，星系合併形成更大的星系而變得更大。到今天，我們的黑洞的質量已經達到了太陽的數百億倍。但即使在我們能觀測到的最早階段，十億個太陽質量的黑洞也近在咫尺。當我們揭開宇宙的面紗時，我們希望確切地了解它們是如何成長的。