天文学一直有个大谜题:黑洞怎么长这么快?
宇宙大爆炸后才几亿年,就出现了超大质量黑洞,质量是太阳的几百万倍甚至几十亿倍。
这太快了。按照正常速度,黑洞不应该在这么短时间内长这么大。
但詹姆斯·韦伯望远镜观测到的早期星系中心,确实坐着这些庞然大物。
爱尔兰梅努斯大学的研究团队说,他们找到答案了。
论文发在《自然·天文学》上。
答案是:早期宇宙太混乱了,黑洞趁乱狂吃。
博士生达克萨尔·梅赫塔是这项研究的负责人。他说:"我们发现,早期宇宙存在的混乱条件,触发了早期的小黑洞进入疯狂进食模式,吞噬周围所有物质,最终成长为我们后来看到的超大质量黑洞。"
他们用超级计算机模拟了宇宙早期的情况。
结果显示,第一代黑洞,那些诞生于大爆炸后仅几亿年的黑洞,增长速度快得惊人。它们在很短时间内就长到了太阳质量的数万倍。
关键在于"超爱丁顿吸积"。
这个词听起来很学术,说人话就是:黑洞吃东西吃得太快了,快到不科学。
正常情况下,黑洞吞噬物质是有速度限制的。物质掉进黑洞时会被加热,发出强烈辐射。这些辐射会把周围的物质吹走,就像你吃饭吃太急会噎住一样。
这个限制叫爱丁顿极限。
但早期宇宙的黑洞不管这套。它们吃得太快,按理说应该把食物都吹跑了,但它们就是能继续吃。
为什么?
因为早期星系太稠密了,气体太多了。就算辐射把一些物质吹走,还有更多物质从四面八方涌过来。
就像你站在暴雨里,雨伞再大也挡不住,因为雨太密集了。
黑洞有两种起源方式。
一种叫"轻种子"黑洞。这种黑洞一开始很小,只有太阳质量的几十倍到几百倍,是恒星死亡后形成的。它们要慢慢吃,慢慢长,才能变成超大质量黑洞。
另一种叫"重种子"黑洞。这种黑洞一出生就很大,可能有太阳质量的十万倍。
以前天文学家认为,要解释早期宇宙中那些超大质量黑洞,必须得是重种子黑洞才行。因为轻种子黑洞太小了,就算拼命吃,时间也不够它们长那么大。
但现在梅努斯大学的模拟显示:不一定。
研究团队成员约翰·里根博士说:"重种子黑洞比较罕见,可能需要特殊条件才能形成。我们的模拟显示,普通的恒星质量黑洞,在早期宇宙中也能以极快速度生长。"
轻种子黑洞也能长成巨兽,只要条件合适。
什么条件?
混乱。
里根说:"早期宇宙比我们预期的要混乱和动荡得多,大质量黑洞的数量也比我们预计的多得多。"
早期宇宙刚形成时,物质分布很不均匀。有些地方气体密度特别高,引力特别强,恒星快速形成又快速死亡。
这种环境下,黑洞有吃不完的食物。
而且早期星系还没有稳定的结构。不像现在的星系有清晰的旋臂、稳定的轨道,早期星系就是一团混乱的气体和恒星,到处是碰撞和合并。
在这种暴力环境里,黑洞可以不受限制地生长。
博士后研究员刘易斯·普罗尔说:"这个突破解开了天文学的一个大谜题,就是詹姆斯·韦伯望远镜观测到的早期宇宙黑洞,怎么在这么短时间内长到超大质量。"
这个发现提供了一个"缺失的环节"。
以前我们知道第一代恒星会形成小黑洞。我们也知道后来的星系中心有超大质量黑洞。
但中间这段怎么连起来的,不清楚。
现在清楚了:小黑洞在早期宇宙的混乱环境中疯狂进食,快速成长。
梅赫塔说:"这些微小的黑洞以前被认为太小了,无法长成在早期星系中心观测到的巨型黑洞。我们在这里展示的是,这些早期黑洞虽然小,但在合适的条件下能够以惊人的速度生长。"
这个结论改变了我们对黑洞起源的理解。
以前觉得超大质量黑洞很神秘,需要特殊的形成机制。现在看来,也许没那么神秘,就是普通黑洞赶上了好时候,吃得快而已。
这个研究还对未来的观测有意义。
2035年,欧洲航天局和NASA会联合发射一个叫LISA的引力波探测器。
里根说:"未来的引力波观测可能能探测到这些微小的、早期的、快速生长的婴儿黑洞的合并。"
为什么?
因为早期宇宙黑洞多,而且密集。它们会互相碰撞合并,产生引力波。
这些引力波现在还在宇宙中传播,只是我们现在的探测器还探测不到。但LISA可能可以。
如果真的探测到了,就能直接验证这个理论:早期宇宙确实有大量快速生长的黑洞。
这就是科学的美妙之处。你提出一个理论,然后设计实验去验证它。
现在理论有了,实验还要等几年。
但至少我们知道该往哪个方向看了。
这个发现让我们对早期宇宙有了新认识。
以前觉得宇宙早期可能比较平静,恒星慢慢形成,星系慢慢聚集。
现在看来完全不是。
早期宇宙是个暴力的地方。气体密度极高,恒星快速诞生又快速死亡,黑洞疯狂吞噬物质,星系剧烈碰撞合并。
一切都在以极快的速度发生。
就像一锅刚烧开的水,到处都是激烈的翻滚。
慢慢地,宇宙冷却下来,结构稳定下来,暴力时代结束了。但早期形成的那些超大质量黑洞,一直留到了现在,坐镇在几乎每个大星系的中心。
包括我们银河系。
银河系中心有个超大质量黑洞,叫人马座A*,质量是太阳的400万倍。
它可能也是这样长大的。在宇宙早期,趁着混乱,狂吃一通,然后慢慢稳定下来,守在银河系中心几十亿年。
我们围着它转,研究它,想弄清楚它的来历。
现在,答案可能找到了。
它不是什么神秘的怪物,只是个赶上好时候的幸运儿。
在宇宙最混乱的时代,吃得最凶的那个。
参考资料:Nature Astronomy, "The growth of light seed black holes in the early Universe", 2026 梅努斯大学物理系研究组 詹姆斯·韦伯空间望远镜观测数据 LISA引力波探测器任务计划

