超大質(zhì)量黑洞——一個(gè)質(zhì)量可達(dá)數(shù)億至數(shù)十億個(gè)恒星的天體——是現(xiàn)代天體物理學(xué)最深?yuàn)W的秘密之一。它們潛伏在大多數(shù)大型星系的核心位置，包括我們的銀河系。鑒于黑洞在宇宙中無(wú)處不在，所以它們?cè)谟钪嫘纬珊脱莼^(guò)程中很可能起到了至關(guān)重要的作用。但是它們的質(zhì)量究竟是如何變得如此之巨大，長(zhǎng)久以來(lái)一直困擾著全世界的理論物理學(xué)家。

哈勃望遠(yuǎn)鏡所揭示的我們的宇宙

來(lái)源：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

最合乎情理的解釋——這些可怕的東西在過(guò)去的數(shù)十億年里通過(guò)吞噬大量的氣體來(lái)獲得如此大的質(zhì)量——這個(gè)想法如今也被認(rèn)為是錯(cuò)誤的。最近的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，僅僅在大爆炸8億年之后，擁有數(shù)十億太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞就存在了。所以，這就出現(xiàn)了一些謎題：它們是如何那么迅速地變成那么大質(zhì)量的？大多數(shù)天體物理學(xué)家認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞肯定是起源于小的“種子”黑洞。他們只是在一個(gè)種子有多小這個(gè)問(wèn)題上沒有達(dá)成共識(shí)。一種較為傳統(tǒng)的理論思想認(rèn)為“種子”黑洞應(yīng)該很大——有可能達(dá)到數(shù)千至上萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量；而另一種理論則認(rèn)為“種子”可能很小——有可能不及一百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

兩個(gè)陣營(yíng)都認(rèn)同的一個(gè)事實(shí)是，黑洞是貪婪的捕食者：只有在它旁邊有物質(zhì)開始堆積之后，引力才能把如此多的氣體塞進(jìn)它的胃里，形成又白又熱的圓盤，這些圓盤發(fā)出強(qiáng)輻射并且把再次即將到來(lái)的氣體推向遠(yuǎn)方，這就有效地切斷了黑洞的食物供應(yīng)。這個(gè)極限叫做愛丁頓極限，并且它被認(rèn)為是嚴(yán)重阻礙任何黑洞吞噬物質(zhì)和膨脹的原因。用這種小種子模型的好處就在于，這些次中重量級(jí)黑洞相對(duì)好形成；缺點(diǎn)是當(dāng)黑洞從次中重量級(jí)迅速變?yōu)槌刭|(zhì)量級(jí)時(shí)，必須更多地考慮到愛丁頓限制，并且需要依靠各種各樣的可能性來(lái)避開它的局限性。相比之下，大種子模型，更符合給超大質(zhì)量黑洞一個(gè)巨大質(zhì)量的開始以避開大量吞噬氣體所帶來(lái)的愛丁頓極限——但是它們的質(zhì)量越大相應(yīng)地就越難以形成。巨大的氣體云不僅可以坍塌形成大質(zhì)量黑洞，還能破碎成團(tuán)塊，這些團(tuán)塊會(huì)形成行星團(tuán)，而非大質(zhì)量黑洞。

無(wú)論支持大種子模型還是小種子模型，“都有很多理論嘗試去解釋超大質(zhì)量黑洞的形成和存在，然而它們都不能給出一個(gè)令人滿意的解釋，”東京大學(xué)的天體物理學(xué)家吉田直樹說(shuō)。吉田直樹是大種子的理論的支持者，他在發(fā)表于《自然》雜志的最新研究中揭示了他們是如何使早期宇宙產(chǎn)生并形成數(shù)量巨大的超大質(zhì)量黑洞。他的“合理解釋”是在宇宙爆炸后，用高速流動(dòng)的氣體作為黑洞質(zhì)量迅速增長(zhǎng)的關(guān)鍵催化劑。具體來(lái)說(shuō)，它是依賴于急速上升的氣體和暗物質(zhì)之間的相互作用，這種暗物質(zhì)是一種神秘?zé)o形的物質(zhì)，它似乎是星系之間的引力膠。

圖片為電腦模擬的，一個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞。

形成一個(gè)黑洞

吉田教授和他來(lái)自于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和德國(guó)圖賓根大學(xué)的合作者一起，運(yùn)用電腦模擬技術(shù)，通過(guò)賦予程序關(guān)于宇宙學(xué)的參數(shù)（例如暗物質(zhì)的密度）并重新創(chuàng)造了早期宇宙的條件，這些參數(shù)是天文學(xué)家們從早期宇宙組成的測(cè)量數(shù)據(jù)中計(jì)算出來(lái)的。吉田教授說(shuō)“我們將嘗試使這個(gè)模擬狀態(tài)盡可能的接近我們實(shí)際觀察到狀態(tài)并且使模擬宇宙隨著時(shí)間的推移發(fā)生演變?！?/p>

根據(jù)這個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)模擬宇宙的研究，在宇宙中的某些地方，來(lái)自暗物質(zhì)的能量會(huì)使高速流動(dòng)的氣體中的原始?xì)浜秃ぴ诖蟊ㄖ辛粝?。在爆炸之后，研究者們最近發(fā)現(xiàn)，這些早期的氣體在一些地區(qū)加速并達(dá)到一種“令人不可思議”的速度—或者像吉田教授那樣稱它是“超快風(fēng)”。吉田教授說(shuō)“你可以這樣設(shè)想，你很難捕捉到它們，因?yàn)檫@種氣體移動(dòng)的很快?！彼f(shuō)，當(dāng)你把手放在消防管的噴口處，你的手會(huì)被那股力沖回來(lái)?！拔ㄒ荒軌蚴惯@種超強(qiáng)風(fēng)停止的方法是創(chuàng)造出足夠強(qiáng)的引力。”他這樣說(shuō)道。這些研究者們?cè)谠缙谟钪嬷忻扛羧畠|光年的廣闊區(qū)域中計(jì)算了這股引力，那里有足夠量的暗物質(zhì)提供引力來(lái)將這些氣體收入囊中——就像有足夠的力量使消防管道里的水向相反的方向推回去一樣。作用在氣體和暗物質(zhì)之間的引力形成了一團(tuán)巨大的氣體云并且會(huì)阻止小行星的形成。

這片氣體云非常龐大，質(zhì)量相當(dāng)于200萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，并且正以310千米/秒的速度在宇宙中高速飛行，預(yù)計(jì)在3000萬(wàn)年后與銀河系相撞

來(lái)源：Netease

這種模擬氣體之后塌縮成一個(gè)巨大的星體，這個(gè)星體之后繼續(xù)吞噬更多的氣體直到它達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的三萬(wàn)四千倍。這個(gè)假想的大質(zhì)量恒星只有在其成分只有氫和氦的情況下才能存在——在任何恒星發(fā)生超新星爆炸以前，會(huì)圍繞著早期宇宙的兩種元素氣體產(chǎn)生更重的元素，例如碳，氮和氧。之前曾經(jīng)有人提出過(guò)大質(zhì)量恒星的想法，但是這是第一個(gè)來(lái)模擬出它的團(tuán)隊(duì)?！拔覀兊挠?jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，這種現(xiàn)象確實(shí)發(fā)生了，并且這種巨大的星體確實(shí)可以形成”吉田教授說(shuō)。當(dāng)星體達(dá)到一定的質(zhì)量后，會(huì)發(fā)生坍縮，超大質(zhì)量的黑洞種子由此產(chǎn)生；他說(shuō)“黑洞種子就這樣理所當(dāng)然的產(chǎn)生了，這就是為什么我認(rèn)為這是最終的答案，至少是黑洞起源這個(gè)問(wèn)題的答案”但是并不是所有人都同意這個(gè)觀點(diǎn)

超新星爆發(fā)射出“鐵子彈” 創(chuàng)造了地球