大爆炸后超大質量黑洞是如何變得如此之大如此之快？ _黑洞

藝術家對超大質量黑洞的渲染。(圖片鳴謝:馬克·加爾利克/科學圖片庫/蓋蒂圖片社)
據美國太空網（羅伯特·李）：：科學家們現在明白，超大質量黑洞潛伏在大多數(如果不是全部)星系的中心。這些宇宙巨人的質量是太陽的數百萬甚至數十億倍，然而當超大質量黑洞出現在局部宇宙中，從而出現在宇宙歷史中時，巨大的體積并不構成問題。
然而，超大質量黑洞成為一個問題，當它們在早期宇宙中被發現時，它們已經有相當于幾十億個太陽的質量。這是因為一定有某種機制允許超大質量黑洞快速聚集質量并增長到如此巨大的尺寸，然而所有現有的增長機制都表明這一過程進展太慢，像這樣的物體在大爆炸后就不存在了。
“在過去的二十年里，天文學家發現了超大質量黑洞，其質量與本地宇宙相同，因此是更近的宇宙——幾十億個太陽質量——大約在130億年前，大爆炸后不到10億年，”Maynooth大學的皇家社會大學研究員約翰·里根告訴Space.com 。
里根用一個有點令人不安的類比描述了這個問題。“這就像看到一個家庭走在街上，他們有兩個六英尺高的青少年，但他們也有一個六英尺高的蹣跚學步的孩子。這就有點問題了，這個蹣跚學步的孩子是怎么長得這么高的？宇宙中的超大質量黑洞也是如此。它們是如何這么快變得如此巨大的？”
今年，當詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)發現了最遙遠和最早的超大質量黑洞時，這個問題變得更加復雜。這個黑洞位于CEERS 1019星系的中心，質量是太陽的900萬倍，這使得它對于超大質量黑洞來說相對較小。
然而，即使在這種規模下，大爆炸后僅5.7億年就存在的黑洞對黑洞增長理論提出了挑戰。這個900萬太陽質量的黑洞并不孤單。揭示這個超大質量黑洞的同一個觀測活動，宇宙演化早期釋放科學(CEERS)調查，也發現了另外兩個超大質量黑洞，它們分別存在于大爆炸后的10億年和11億年。
加拿大西安大略大學教授Shantanu Basu告訴Space.com說:“隨著每一個新的發現，我們現有想法的約束變得更強。”“當大爆炸后8億年發現超大質量黑洞時，我們很擔心。CEERS極大地增加了挑戰。”
這表明超大質量黑洞在宇宙的相對嬰兒期是常見的，而不是一些宇宙罕見的東西，因此給尋找解釋它們如何到達那里的機制帶來了更大的壓力。
黑洞是如何控制自己的飲食的？
除去宇宙大爆炸后遺留下來的原始黑洞，黑洞的三個主要類別是恒星質量黑洞，其質量是太陽的5至100倍，中等質量黑洞的質量是太陽的100至10 ， 000倍，以及上述質量的超大質量黑洞。
當最大質量的恒星(相當于30到130個太陽質量)耗盡核聚變燃料，無法再抵抗自身重力時，就會形成恒星質量黑洞。當這些恒星的外層在巨大的超新星爆炸中被吹走時，核心坍塌產生了恒星質量的黑洞——空間區域的中心有一個無限密度的點，稱為奇點，外部邊界稱為事件視界，重力如此之大，甚至連光都無法逃離它。
超大質量黑洞必須以不同于恒星質量黑洞的方式形成，因為一顆恒星不可能大到足以擁有初始質量來擺脫質量，因為它通過像超新星這樣的事件演變，伴隨著恒星的引力坍縮，但仍然留下一個足夠大的核心，成為超大質量黑洞。
多年來，天文學家一直認為超大質量黑洞可以從比它小得多的“種子黑洞”開始它們的生命。首先以物質為食，然后在它們所在的星系碰撞時與其他黑洞合并，這也為這些萌芽的超大質量黑洞提供了氣體和塵埃。
當這些宇宙種子發現自己被大量物質包圍并貪婪地享用這些物質以快速成長為超大質量黑洞時，恒星質量黑洞種子的增長可能會發生。

宇宙的時間線。在宇宙大爆炸數十億年后發現超大質量黑洞是意料之中的，但在第一批恒星形成時發現它們更令人驚訝。(圖片來源:歐空局)
然而，這個過程應該被稱為愛丁頓極限的東西所阻礙。正在進食的黑洞的光度或亮度與它們聚集質量的速度成正比。黑洞消耗物質越快，增長越快，增長越快，周圍環境噴出的電磁輻射就越多。但是，如果黑洞周圍以射流形式發出的電磁輻射足夠強烈，它就會以物理方式將物質推開。這意味著黑洞“吃”得越快，它的食物供應就越有可能被中斷和推開，從而停止增長。
艾丁頓極限意味著黑洞需要數十億年才能吸積足夠的物質達到超大質量黑洞的狀態。里根是一個研究小組的成員，該小組研究了一種名為“超級愛丁頓吸積”的東西，這可以解釋早期宇宙中超大質量黑洞的快速增長。他解釋說，這不會有什么特別的，只是正常黑洞進食的一個更快速的版本
這將導致進料的快速“發作”,物料被噴嘴推開，停止進料，從而切斷噴嘴。這使得物質落回黑洞，從而引發另一輪瘋狂的盛宴。然而，里根和他的同事發現這種解釋并不令人滿意。
“如果你把這個喂食周期平均一段時間，它實際上比愛丁頓率要低，”里甘說。“一兩個周期可能沒問題，但總的來說，隨著時間的推移，這不是很好，因為它不會持續下去。所以我們沒有發現這不是一個真正解釋超大質量黑洞增長的偉大機制。”
黑洞能走捷徑獲得超大質量狀態嗎？
Regan說，另一種可能有助于解釋超大質量黑洞的快速增長的想法是，它們從中增長的種子黑洞是巨大的。
“我們有輕種子和重種子，所以超大質量黑洞可能在100個太陽質量時誕生，并一直發展到超大質量黑洞，或者它們可能從比太陽大10萬個質量開始，并從那里發展，”里根說。“如果它們想要成長，一個小黑洞必須格外幸運，發現自己處于一個周圍有很多很多氣體的稠密環境中。但這不太可能。
“它比一個小黑洞更有可能在沒有氣體的環境中找到自己。所以那些小黑洞種子不太可能生長。”
巨大的黑洞種子仍將不得不進入這些密集的環境，但至少它們會領先于較小的種子。回到六英尺嬰兒的類比，里根解釋說，如果這個孩子出生時有普通嬰兒的長度，那么這個孩子的成長就更難解釋了。但是，如果這個嬰兒出生的時候已經有三英尺長了，那么他變成六英尺高的蹣跚學步的孩子就不難解釋了。

一幅插圖顯示了一個正在進食的超大質量黑洞。這些物體的早期例子是如何在大爆炸后這么快就變得如此巨大的？(圖片鳴謝:NRAO/AUI/美國國家科學基金會，s .達格內洛)
對此進行研究的問題是，與蹣跚學步的孩子不同，黑洞除了它們的質量、角動量(自旋)和電荷之外，缺乏任何特征。科學家稱之為“無毛定理” ，這意味著黑洞看似簡單，并不攜帶關于其歷史或進化的信息。
“如果你在你的花園里發現了一個黑洞，你不能通過觀察它來了解它，不知道它是昨天、一分鐘前還是十億年前到達那里的。它沒有歷史，沒有指紋，”他繼續說道。“所以當我們觀察今天或130億年前的黑洞時，我們不知道它的年齡，所以我們不知道它能夠增長多久。”
Basu補充說，觀察早期宇宙中黑洞膨脹的喂養過程是不可能的，因為它離我們如此遙遠，但檢測超大質量黑洞喂養在未來可能是可能的。“早期宇宙中假設的超大質量恒星會非常明亮，亮度可能是我們太陽的100億倍。如果這些天體在宇宙大爆炸后的幾億年后還存在，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)或歐幾里德望遠鏡就有可能探測到它們。”
盡管存在這些問題，Regan相信，通過研究早期宇宙中的黑洞和潛在的重種子，科學家將很快能夠構建一個超大質量黑洞增長圖。他特別指出了激光干涉儀天基天線(LISA)的發射，這是一種天基引力波探測器，將幫助科學家更好地限制早期宇宙中黑洞的人口統計數據。
“我認為我們在過去10年取得了巨大的進步。巨大的。在未來十年，我們也將繼續取得巨大進展。，”里根說。“從這些人口統計數據中推斷出來，將讓我們非常非常好地處理遙遠宇宙中發生的合并數量，這些合并涉及的黑洞正好在我們需要的質量范圍內，質量約為太陽的10萬倍。
“我認為我們很有可能在未來5到10年內解決這個問題。”