近日,《自然》刊发的意气风发篇小说再一次刷新了人类探测黑洞的记录。该小说公布发掘了宇宙大爆炸之后6.9亿年的比十分大性能黑洞,是现今所知宇宙最前期的十分大品质黑洞。
假诺将可旁观宇宙历史138亿年浓缩为100年,这就一定于在大自然独有5岁时,哺养了一个大胖子黑洞。那不由得令人疑问,那个胖子黑洞是哪些养成的?
大自然中多如牛毛的怪兽
黑洞的提出,还要回去爱因斯坦的广义相对论。在广义相对论建议的那个时候,德意志联邦共和国天史学家史瓦西求出了爱因Stan方程的率先个严谨解,对应的是球对称、不自转物体重力场的准确解。他开采,任何具有品质的实体都设有三个临界半径——后被称作史瓦西半径。假诺某质量的实体塌缩至史瓦西半径,该物体就要自个儿引力效应下继续塌缩至黑洞。在史瓦西半径内,富焚寂子在内的任何粒子都无法儿逃出,意味着大家不能看出它。
当然,黑洞不是停留在笔尖的数学解,而是宇宙中不足为奇的怪兽。固然大家无法一向看出黑洞,但足以透过它们对附近物质的重力影响来判断它的留存,如依照相近白矮星或气体的移位、依据黑洞的强重力对光线的波折效应等。重力波时域信号的探测,以另风姿浪漫种方法注脚了黑洞的留存。
天思想家们依赖品质的例外将黑洞分类成:恒星级品质黑洞(品质从数倍到几百倍太阳品质)、超级大品质黑洞(性能大于几百万倍太阳品质)和介于白矮星级和重特大品质黑洞之间的中级质量黑洞三大类。方今,白矮星级品质黑洞和重特大品质黑洞都被考查到,唯独中等品质黑洞的观望成果甚少。
贪滥无厌并吞物质的意气风发世
平常认为,白矮星级品质黑洞的演进与大品质白矮星有关。它演变到早先时期后,核心的燃料用尽,所产生的能量不能够对抗自个儿物质向内的重力,会时有发生塌缩,并以超新星爆炸甘休本人的生命。当剩余的中坚品质大于3.2倍太阳品质时,将会在引力成效下三番五次塌缩产生黑洞。
面前境遇中等品质黑洞缺乏观测证据的现状,天教育家们估算,中等品质黑洞的根源有三种恐怕机制:白矮星级品质黑洞的并合或白矮星级品质黑洞通过兼并气体成长而产生,宇宙大爆炸进程中形成的胚胎黑洞,以致经星团磨练后的大质量白矮星塌缩而成。对于第二种可能,地思想家感觉在星团中,非常多大品质白矮星只怕不断损失能量和旋转的力量,因此稳步挪动到星团的中坚,它们中间人机联作碰撞并合形成更加大品质的白矮星,直至产生品质在几百倍至几千倍太阳品质的白矮星,并最终塌缩产生人中学等品质黑洞。
至于非常的大质量黑洞,轻松的回答正是经过更加小质量黑洞的磕碰并合,以至越来越小品质的黑洞吞没气体尘埃而成。
黑洞息灭物质在大自然中是广阔的。而黑洞并合带给成长,也轻松精通。LIGO探测的五回引力波都对应了白矮星级品质黑洞的并合事件,让越来越小的黑洞凭借并合成长为更加大的黑洞;大约在每种大品质星系的中坚都留存叁个重特大品质黑洞,宇宙中也不乏星系并合的观看证据,星系并合的中期,正是六头中央超大品质黑洞的并合。
黑洞成长的日子风险
黑洞吞没周边气体是有总统的。黑洞在吸积湮灭周边物质时,物质下降释放的重力能会转接为辐射,当吞食的物质积存到一定水平,向外的辐射压会阻止物质的愈发裁减。当天体效率于二个粒子上的重力和辐射压正巧平衡时,对应的临界吸积率称作爱丁顿吸积率。日常景观下,爱丁顿吸积率是黑洞吸积物质的最大频率。
观测发掘,在宇宙空间早先时代,比方宇宙大爆炸之后10亿年内,就存在品质为百亿倍太阳品质的重特大质量黑洞。那令人疑心,假诺说它是从贰个流产儿黑洞长大的,这一个新生儿黑洞得多大?婴孩黑洞怎么样吞并周围气体尘埃食品,技巧长成实际观测到的大胖子呢?
最自然的生机勃勃类种子黑洞要寻根于宇宙大爆炸后几亿年左右变异的首先代星系。它们中的大质量白矮星飞快演化到早先时期,爆发超新星爆炸,宗旨残存的宇宙空间正是品质约几百倍太阳品质的黑洞。
但假使要是种子黑洞是那类白矮星级品质黑洞,鉴于质量升高的快慢受爱丁顿吸积率节制,那么纵然种子黑洞一向以最火速度成长,质量进步到十亿、百亿倍太阳品质所急需的岁月也远远超越它的年华。那就带给了所谓的黑洞成长时间危害难题。
吃得更加快,依然从小就更胖
为了化解这几个主题材料,减少相当大品质黑洞成长所急需的年月,天文学家们从理论上提出了各个只怕方案,当中有两种广为选用。
在那之中生龙活虎种理论中,化学家假若种子黑洞仍然为小质量的白矮星级黑洞,然则成长速度越来越快,以抢先爱丁顿吸积率的快慢吃东西。理论钻探发现,要想维持超爱丁顿吸积,需求确认保障种子黑洞深居丰富致密的气体中,进而光子无法有效地辐射出去。可是试想,种子黑洞所处的第一代星系中,新形成的恒星还不安静,会吹出剧烈的星风;演变到末代的白矮星可能走入超新星爆炸阶段,爆发显然的微波。在此么不太平的境况中,能无法保持那一方致密气体包裹住种子黑洞,让它能维系超爱丁顿吸积直至成长为一点都十分的大品质黑洞,仍为个鲜为人知。
在另风华正茂种方案中,物医学家感到宇宙初期就存在中等质量黑洞,种子黑洞生来就更胖,而它们出自气体云块的一向坍缩。这一方案的机要在于,气体云块无法有效冷却,因此制止了气体云的粉碎和世袭的白矮星诞生,导致最终直接重力塌缩为中等质量黑洞。在真实的开始时期宇宙中,具备这种天性的气体云块确实恐怕存在——一团首要成份为氢和氦的气体云,沐浴在紫外光子的大洋中。而针对性黑洞并吞的气体必要方面,近年来东京天文台沈俊太的钻研提供了朝气蓬勃种大概,旋涡星系的盘状构造轻便遇到本人重力学不安宁恐怕星系间的潮汐功用的震慑而形成星系棒;开始的一段时代星系演变中星系棒能够驱使丰盛多的气体流入星系主旨,为产生超级大品质黑洞提供了心腹的原材料。
可是也会有物文学家以为,作为种子黑洞的高级中学级质量黑洞,源于经星团历炼后的大质量白矮星的塌缩。
为了消除时刻危害,后三种体制还未总结加快种子黑洞通过兼并气体来成长的进度,而是理论上预知宇宙开始的意气风发段时期存在中等品质黑洞作为种子黑洞。在上述三种理论中,第二种理论的预感与局地着重结果相符,由此该理论的受关怀度越来越高。
关于宇宙怎么着在此中期抚养出胖子黑洞,还应该有众多未解之谜,相信观测技巧和道具的进级会揭发宇宙开始的后生可畏段时期的越多秘密,如James·Weber千里镜将能直接观测到最初期的星系和黑洞,在种子黑洞的查找和钻研上享有收获;以激光干涉空间阵列为代表的上空重力波探测器将有利于节制黑洞并合模型;高精度的数值模拟也将帮大家知道黑洞的多变与蜕变。(笔者系中国科高校北京天文台副商量员
左文文)

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