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pi 70億光年外傳來(lái)超級(jí)大爆炸，8顆太陽(yáng)質(zhì)量瞬間消失，細(xì)節(jié)令科學(xué)家困惑( 二 )





pi 70億光年外傳來(lái)超級(jí)大爆炸，8顆太陽(yáng)質(zhì)量瞬間消失，細(xì)節(jié)令科學(xué)家困惑
文章插圖

此圖展示致密天體白矮星、中子星和黑洞的質(zhì)量范圍及大致分類，單位采用太陽(yáng)質(zhì)量，即 2X10^ 30千克丨圖源：NASA很顯然在上圖中，從幾百到幾十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量之間有一個(gè)很大的中等黑洞質(zhì)量區(qū)間，難道這一質(zhì)量范圍內(nèi)的黑洞不存在嗎？非也。實(shí)際上，目前已有不少間接的觀測(cè)證據(jù)暗示著中等質(zhì)量黑洞的存在。在理論上，大種子黑洞支持者認(rèn)為，由于黑洞的質(zhì)量生長(zhǎng)有速度極限，宇宙學(xué)結(jié)果認(rèn)為宇宙早期就應(yīng)該有很多超大質(zhì)量黑洞，它們應(yīng)該是由大種子黑洞成長(zhǎng)而成的。這些大種子就包含中等質(zhì)量黑洞。但這種假說(shuō)還沒(méi)有相對(duì)直接的觀測(cè)證據(jù)。
至于中等質(zhì)量黑洞是如何起源的，天文學(xué)家認(rèn)為可能是宇宙早期超新星爆發(fā)或氣體云的坍縮形成。此時(shí)恒星的重元素大都集中在其核心，最后會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)大的爆發(fā)。而后來(lái)形成的恒星，重元素就在其表面，在演化中最終可能被星風(fēng)吹走，導(dǎo)致不易形成大質(zhì)量的黑洞。如果這種假設(shè)成立，最初形成的中等質(zhì)量黑洞還應(yīng)該一直存在，可是我們還未發(fā)現(xiàn)它們。
除此之外，中等質(zhì)量黑洞有可能在球狀星團(tuán)的中央?yún)^(qū)域形成，也有可能在矮球星系中心存在。理論上，天體物理學(xué)家提出中等質(zhì)量黑洞可能由超大質(zhì)量恒星動(dòng)力塌縮而成，還可能因磁化超大質(zhì)量恒星的廣義相對(duì)論磁流體徑向脈動(dòng)失穩(wěn)塌縮而成，后者形成的黑洞具有極為寬廣的質(zhì)量范圍，同時(shí)包括中等質(zhì)量黑洞和恒星級(jí)質(zhì)量黑洞。
Tips
所謂的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的質(zhì)量范圍一般在幾倍到上百倍太陽(yáng)質(zhì)量（這些界定時(shí)有浮動(dòng)），天文學(xué)家設(shè)想它們正是由大質(zhì)量恒星自然演化引力塌縮而形成的。此前通過(guò)引力波探測(cè)到的十幾個(gè)雙黑洞都屬于這一類型。事實(shí)上在被引力波實(shí)驗(yàn)宣稱探測(cè)到之前，幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并未受到足夠的重視和強(qiáng)調(diào)，它們的天體物理成因也并未被深入探究。基于幾年來(lái)的引力波事件觀測(cè)，現(xiàn)在天文學(xué)家則經(jīng)驗(yàn)上認(rèn)為它們應(yīng)當(dāng)遍布在各個(gè)星系之內(nèi)，也可能游蕩于宇宙空間。
在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，超大質(zhì)量黑洞的傳統(tǒng)質(zhì)量范圍一直在百萬(wàn)到幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。依據(jù)幾十年的觀測(cè)，天文學(xué)家推斷每個(gè)星系（包括橢圓星系、盤狀的漩渦星系以及矮星系）中心都存在著這類黑洞，比如我們銀河系中心存在約410萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這只是超大質(zhì)量黑洞中的小字號(hào)；而首次擁有“靚照”的M87星系中心的黑洞約有65億倍太陽(yáng)質(zhì)量，算超大質(zhì)量黑洞中的大塊頭。
超大質(zhì)量黑洞的形成直接關(guān)系到星系形成和宇宙演化，而它們的誕生和演化則是個(gè)開(kāi)放性的重要前沿問(wèn)題。黑洞周邊物質(zhì)吸積盤的存在，及其與黑洞相互作用而產(chǎn)生的各類高能活動(dòng)有助于黑洞探測(cè)和估算黑洞參數(shù)。然而一個(gè)黑洞從其周邊吸積盤獲取質(zhì)量的吸積率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠高，所以一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的主體質(zhì)量絕大部分從何而來(lái)，是天體物理學(xué)和宇宙學(xué)中一個(gè)不可回避的核心問(wèn)題。特別是在早期宇宙中，宇宙大爆炸后10億年間超大質(zhì)量黑洞乃至絕超質(zhì)量黑洞的存在，從時(shí)間上使得這些黑洞快速形成的問(wèn)題極為尖銳。
一種假設(shè)認(rèn)為質(zhì)量較大的黑洞先由多個(gè)相對(duì)較小質(zhì)量的種子黑洞并合，依據(jù)這個(gè)圖像推演，若要形成超大質(zhì)量黑洞和絕超質(zhì)量黑洞，則必須有非常頻繁且持續(xù)不斷的各種質(zhì)量黑洞并合。如此會(huì)導(dǎo)致的一個(gè)不可避免的結(jié)果——宇宙時(shí)空中應(yīng)當(dāng)存在隨機(jī)的引力波漣漪背景。天文學(xué)家希望通過(guò)這些引力波輻射對(duì)多個(gè)毫秒射電脈沖星所發(fā)出周期信號(hào)的微弱影響（即所謂的脈沖星計(jì)時(shí)陣列，Pulsar timing arrays，簡(jiǎn)稱“PTA”），來(lái)測(cè)定它們的存在。國(guó)際上有若干個(gè)PTA項(xiàng)目試圖探測(cè)這個(gè)背景，但到目前為止均未成功。就探索方案而言，這里涉及的模型、假設(shè)、分析方案和技術(shù)路線等都存在相當(dāng)?shù)牟淮_定性。因此以長(zhǎng)期持續(xù)不斷的黑洞并合來(lái)形成超大質(zhì)量黑洞，甚至絕超質(zhì)量黑洞的物理圖像僅僅是一個(gè)假說(shuō)。
還有別的辦法來(lái)形成超大質(zhì)量黑洞和絕超質(zhì)量黑洞嗎？實(shí)際上，大質(zhì)量黑洞完全可以在巨大物質(zhì)庫(kù)中通過(guò)引力塌縮直接形成其主體部分，然后再在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)吞噬吸積物質(zhì)逐漸演化。特別是在早期宇宙中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存在超大質(zhì)量黑洞和絕超質(zhì)量黑洞的存在證據(jù)，這預(yù)示著宇宙大爆炸后約10億年間，逐漸冷卻的宇宙已經(jīng)分布著大大小小的物質(zhì)庫(kù)。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）計(jì)劃于2021年發(fā)射升空，它有強(qiáng)大的紅外波段探測(cè)能力。若發(fā)射運(yùn)行順利，期待JWST能在早期宇宙中發(fā)現(xiàn)更多的超大質(zhì)量黑洞和絕超質(zhì)量黑洞。

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