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130億年前，這個(gè)大黑洞“瞬間”形成！偷看到了類(lèi)星體遺跡

2019-08-18 10:45 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

宇宙形成的最初8億年里，也就是大約130億年前，當(dāng)我們的宇宙還只是一個(gè)雜亂無(wú)章初創(chuàng)時(shí)，宇宙突然出現(xiàn)了一股創(chuàng)造力，在宇宙的“左”、“右”、“中”三個(gè)方向都產(chǎn)生了超大質(zhì)量的黑洞。

天文學(xué)家們?cè)谟^察類(lèi)星體時(shí)，仍然可以“偷看”到早期宇宙的這些遺跡。類(lèi)星體非常大，非常明亮，被認(rèn)為是由比地球太陽(yáng)大數(shù)十億倍的老黑洞提供能量，然而，這些古老天體的存在本身就構(gòu)成了一個(gè)問(wèn)題。

許多類(lèi)星體似乎起源于宇宙的最初8億年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于任何恒星能夠變大或變老到足以在自身質(zhì)量下坍縮、爆炸成超新星并形成黑洞。那么，時(shí)空結(jié)構(gòu)中的這些老黑洞是從哪里來(lái)的呢？根據(jù)一種流行的理論，可能只需要大量的氣體。在發(fā)表在《天體物理學(xué)》(Astrophysical Journal Letters)上的一項(xiàng)新研究中，研究人員運(yùn)行了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，以證明在非常早期的宇宙中，某些超大質(zhì)量黑洞可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將大量氣體聚集成一個(gè)引力束縛云而形成。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在幾億年內(nèi)，足夠大的云團(tuán)會(huì)在自身質(zhì)量的作用下坍縮，形成一個(gè)小黑洞——而不需要超新星坍塌。這些理論對(duì)象被稱(chēng)為直接坍縮黑洞(DCBHs)，根據(jù)這項(xiàng)新研究的主要作者、加拿大安大略省倫敦西部大學(xué)的天體物理學(xué)家、黑洞專(zhuān)家山塔努·巴蘇(Shantanu Basu)所說(shuō)：直接坍縮黑洞的一個(gè)決定性特征是，它們一定是在宇宙早期非常短的時(shí)間內(nèi)非常非常迅速地形成。黑洞形成的時(shí)間只有大約1.5億年，并且在這段時(shí)間內(nèi)迅速增長(zhǎng)。在1.5億年時(shí)間窗口的早期形成的黑洞，其質(zhì)量可以增加1萬(wàn)倍。

氣體云是如何變成黑洞的？根據(jù)2017年的一項(xiàng)研究，這樣的轉(zhuǎn)變需要兩個(gè)個(gè)性迥異的星系：一個(gè)是正在形成大量新生恒星的宇宙超級(jí)巨星，另一個(gè)則是一堆低調(diào)的無(wú)恒星氣體。當(dāng)新恒星在這個(gè)繁忙的星系中形成時(shí)，它們會(huì)發(fā)出持續(xù)不斷的熱輻射，沖刷鄰近星系，阻止那里的氣體合并成自己的恒星，在幾億年內(nèi)，沒(méi)有恒星的氣體云可以吸收如此多的物質(zhì)。以至于它會(huì)在自身的重量下坍塌，形成一個(gè)黑洞，卻未產(chǎn)生過(guò)恒星。

不久，這個(gè)“種子”黑洞可能會(huì)通過(guò)快速吞噬附近星云的物質(zhì)而達(dá)到超大質(zhì)量狀態(tài)——這可能產(chǎn)生了我們今天看到的巨大類(lèi)星體。在宇宙形成的最初8億年里，在宇宙中恒星和其他黑洞過(guò)于擁擠而無(wú)法形成之前，這種宇宙編排的行為可能只在很短一段時(shí)間內(nèi)成為可能。在大爆炸之后的10億年內(nèi)，宇宙中可能已經(jīng)存在了太多背景輻射。以至于一個(gè)超大質(zhì)量黑洞將很難找到足夠的氣體來(lái)吸收并繼續(xù)其指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。假設(shè)在這1.5億年之后不會(huì)有新的超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生。

這就解釋了為什么在宇宙中一定質(zhì)量和光度以上的黑洞數(shù)量會(huì)急劇下降。雖然直接坍縮黑洞目前仍處于理論研究階段，但一些天文學(xué)家認(rèn)為，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡可能發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)正在形成的天體。根據(jù)當(dāng)年一項(xiàng)關(guān)于這一課題的研究，一顆巨大恒星在哈勃望遠(yuǎn)鏡的鏡頭前消失了，沒(méi)有超新星的閃光。最好的解釋是，這顆大質(zhì)量恒星只是坍縮成一個(gè)黑洞，沒(méi)有任何壯觀的場(chǎng)面或煙火。其他六顆附近的恒星在火焰和憤怒中爆炸，這表明大約七分之一(14%)的大恒星通過(guò)簡(jiǎn)單地消失在虛空中來(lái)結(jié)束生命。