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科學家可能終于知道宇宙中最大、最古老的黑洞來自哪里了
2024/02/01

如何在早期宇宙中建造一個巨大的黑洞?這個問題聽起來像是科幻小說的情節,但實際上,它是天文學家們正在探索的一個重大挑戰。因為,根據大量的觀測數據,尤其是詹姆斯-韋伯太空望遠鏡(JWST)的觀測數據,我們已經發現了年輕宇宙中存在著巨大的黑洞。這些黑洞的品質高達幾百萬倍甚至幾十億倍太陽的品質,它們是如何在宇宙的早期形成的呢?

黑洞是一種引力極強的天體,它們的引力場如此強大,以至于連光都無法逃逸。雖然我們無法直接看到黑洞,但我們可以通過觀測它們周圍的物質來間接探測它們的存在。當物質落入黑洞時,會被加速和加熱,釋放出大量的輻射,形成一個稱為吸積盤的旋轉結構。如果黑洞的品質足夠大,吸積盤的輻射就會非常強烈,形成一個超亮的天體,我們稱之為類星體。

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類星體是宇宙中最亮的天體,它們的亮度可以超過整個星系的亮度。類星體是由超大品質黑洞驅動的,它們是宇宙中最強大的引擎,能夠同時照亮成千上萬個星系,并持續數百萬年。我們可以在整個宇宙中看到這些巨大的宇宙燈塔,包括在恒星和星系形成的最早期。

已知最古老的類星體存在于宇宙大爆炸后的約4億年,當時我們的宇宙只有現在的3%的年齡。這意味著,這些類星體背后的超大品質黑洞也必須在宇宙的早期就已經形成了。但這一想法對我們目前對星系成長的理解提出了挑戰。因為,據我們所知,制造黑洞的唯一途徑是大品質恒星的死亡。但是,類星體在宇宙記錄中出現得太早,以至于沒有足夠的時間讓第一批恒星誕生和死亡,然后讓它們的殘余黑洞合并并積累氣體,成長為超大品質黑洞。

那麼,早期宇宙中的巨大黑洞是如何形成的呢?一項新的預印本研究提出了一個反直覺的建議:從許多小黑洞的爆炸開始。這項研究由加州大學洛杉磯分校和東京大學的一個天文學家小組完成,但尚未提交同行評審。

這些小黑洞并不是由坍縮的恒星形成的,而是由宇宙大爆炸最初幾秒鐘內的早期宇宙物理學產生的。在那個時候,宇宙的密度和溫度都非常高,宇宙可能直接產生了無數的小黑洞,這些小黑洞是在時空本身的泡沫中形成的。這些小黑洞被稱為原初黑洞,它們的品質范圍很廣,可以非常小,也可以非常大。

不過,這些小黑洞并不能長生不老,它們會在霍金輻射的作用下蒸發掉,可能只有一小部分存活到了今天。霍金輻射是由英國物理學家斯蒂芬·霍金在1974年提出的一種理論,它認為黑洞并不是完全黑暗的,而是會向外輻射一些粒子和能量,從而導致黑洞的品質減小,最終消失。

但在宇宙的早期,第一批恒星、星系和黑洞可能要豐富得多。研究人員發現,這些小黑洞在蒸發時會釋放出適量的熱量,使巨型氣體云不會碎裂成分子氫團,從而讓氣體云緩慢而穩定地坍縮成一個巨型黑洞。

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這些氣體云是由原子氫組成的,它們的品質可以達到數百萬倍太陽的品質。要讓這些氣體云坍縮,就必須把它們的熱量排出。但是冷卻的氫有一個令人討厭的習慣,那就是把自由氫原子變成二原子氫分子。

氫分子非常擅長通過發射輻射來冷卻自己。事實上,太擅長了。在傳統的設想中,原子氫氣云還沒來得及坍縮成一個單一的黑洞,就會分裂成許多更小的分子氫,每個分子氫都會坍縮,形成一堆恒星。這就是我們目前所知的恒星形成的過程。

訣竅在于讓巨大的氫氣云冷卻下來–但又不能太快,以免整個氫氣云變成一個單一的超大品質黑洞。新研究的理論認為,這就是微小黑洞的作用所在。它們在蒸發時釋放的熱量,可以抵消氫分子的冷卻效果,從而保持氣體云的原子狀態,讓它們有足夠的時間和空間坍縮成一個巨大的黑洞。

這一結果之所以有趣,是因為它沒有引出更奇特的能量釋放形式,也沒有增加新的自然力。它還表明,在早期宇宙中,即使是相對簡單的物理學也會以奇怪而陌生的方式相互作用。這種方式可能為我們解釋宇宙中的一些奧秘提供了新的線索,比如暗物質的本質,宇宙的膨脹速度,以及引力波的來源。

研究人員希望通過更全面的模擬來跟進他們的初步研究,看看他們的模型是否能夠產生早期宇宙中巨型黑洞的正確豐度,并尋找觀測線索,讓 JWST 等望遠鏡用來驗證這一想法。

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