Andrew Grant 文 Shea 編譯
黑洞吞噬一切的能力早已為人所知，但也許它們同樣也具有創(chuàng)造一切的能力——新的證據(jù)表明正是它們?yōu)橛钪娲蟊ㄋa(chǎn)生的混沌帶來(lái)了秩序。
在此，黑洞終于贏得了它們的“尊嚴(yán)”。在被當(dāng)成是“破壞”之王很長(zhǎng)時(shí)間以后，科學(xué)家們終于開(kāi)始重新思量黑洞的作用?，F(xiàn)在看來(lái)，在大爆炸后不久黑洞就出人意料地出現(xiàn)了，而它們的首次亮相也起到了建設(shè)性的作用。就在幾年前，還沒(méi)有人能想到這些“怪獸”會(huì)出現(xiàn)在早期宇宙中。而現(xiàn)在，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)黑洞對(duì)于宇宙結(jié)構(gòu)的形成是至關(guān)重要的。
[圖片說(shuō)明]：超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬的大爆炸后4億年的一個(gè)黑洞。版權(quán)：KIPAC/SLAC/M.Alvarez, T. Able和J. Wise。
黑洞——能夠以強(qiáng)引力極度彎曲時(shí)空進(jìn)而使得連光線也無(wú)法逃脫的天體——以前可沒(méi)有這樣的“好評(píng)”。它們?cè)?jīng)被認(rèn)為是非常罕見(jiàn)的。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦并不相信它們真的存在。但是，在過(guò)去的幾十年里天文學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到，黑洞其實(shí)很普遍。在幾乎每個(gè)星系的中心都有一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)幾百萬(wàn)到幾十億倍的超大質(zhì)量黑洞。不過(guò)，當(dāng)2003年在宇宙年齡小于10億年的地方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的黑洞時(shí)，許多人還是為此驚愕不已。從那時(shí)起，科學(xué)家們就一直在試圖找出在這些原初黑洞來(lái)自何處以及它們是如何影響隨后的宇宙演化的。
2009年8月，一個(gè)美國(guó)科學(xué)家小組對(duì)早期宇宙進(jìn)行了一次超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，為一窺第一代黑洞的“風(fēng)采”提供了一個(gè)誘人的機(jī)會(huì)。整場(chǎng)“演出”從宇宙大爆炸后2億年開(kāi)始，當(dāng)時(shí)宇宙中的第一代恒星已經(jīng)形成。這些恒星的質(zhì)量非常巨大，可以達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的大約100倍。同時(shí)它們也非常具有活力，只需短短數(shù)百萬(wàn)年就能燒完它們包含的所有氫。由于氫聚變不再產(chǎn)出可以與其巨大的引力相抗衡的能量，這顆恒星最終就會(huì)坍縮成一個(gè)密度無(wú)窮大的點(diǎn)。
第一代黑洞和我們今天在星系中心看到的超大質(zhì)量黑洞相比微不足道。而且，由于形成第一代黑洞的恒星都非?；钴S會(huì)吹散周?chē)臍怏w，因此一開(kāi)始它們生長(zhǎng)得非常緩慢——在接下去的2億年里它們的質(zhì)量只會(huì)增加1%。盡管如此，這些中等大小的黑洞卻扮演了控制恒星形成的重要角色。落向黑洞的物質(zhì)所發(fā)出的輻射可以把周?chē)臍怏w加熱到大約2,700攝氏度，由此這些氣體將很難再聚集形成恒星。
這一超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬向世人展現(xiàn)了宇宙嬰兒期的樣子，但接下去會(huì)發(fā)生什么？2007年，科學(xué)家在宇宙年齡8.4億年處發(fā)現(xiàn)一個(gè)質(zhì)量為太陽(yáng)10億倍的超大質(zhì)量黑洞，這是迄今探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的黑洞。2009年9月另一個(gè)科學(xué)家小組又在這個(gè)黑洞的周?chē)l(fā)現(xiàn)了一個(gè)有恒星正在形成的大型星系。這些發(fā)現(xiàn)多少有些讓人費(fèi)解。因?yàn)榭茖W(xué)家們認(rèn)為，在大爆炸之后大約4億年宇宙中應(yīng)該到處都是恒星和饑餓的小型黑洞。在5億年之后，巨型黑洞才會(huì)遍及于大型的星系中。為什么局勢(shì)會(huì)如此快地被扭轉(zhuǎn)呢？
先前的數(shù)值模擬中主要關(guān)注的是單顆恒星和黑洞，忽略了這些天體之間的相互作用以及它們對(duì)早期宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的影響。新的研究表明，第一代黑洞會(huì)被高密度的暗物質(zhì)暈所包圍，后者的質(zhì)量可以達(dá)到黑洞自身的數(shù)萬(wàn)倍。正是它們構(gòu)成了原星系，也就是搭建今天看到的星系所需的“積木”。在一個(gè)較短的時(shí)期內(nèi)，原星系之間會(huì)發(fā)生劇烈的碰撞，由此帶來(lái)的氣體和塵?？梢允沟闷渲械暮诙纯焖偕L(zhǎng)。在8億年的時(shí)間里一個(gè)100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞可以彪升到10億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，而在某些高密度區(qū)域這一過(guò)程會(huì)進(jìn)行地更快。在這個(gè)階段，黑洞會(huì)突然對(duì)恒星變得更為“友好”。原星系合并發(fā)出的激波會(huì)壓縮氣體，由此可以觸發(fā)大范圍的恒星形成。在非常短的時(shí)間內(nèi)，黑洞會(huì)從一個(gè)輕量級(jí)選手轉(zhuǎn)而變成一個(gè)占據(jù)星系中心位置的超重量級(jí)霸主。
雖然這個(gè)想法對(duì)為大質(zhì)量黑洞的形成提供了一個(gè)解釋，但目前它仍然還停留在理論階段，尚未被直接的觀測(cè)證實(shí)。因此，理論家們還在改善他們的計(jì)算，而其他天文學(xué)家則希望利用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)更早期的宇宙，來(lái)尋找理論家們所預(yù)言的這些天體。有理論家甚至表示，如果在宇宙誕生之后5億年的地方發(fā)現(xiàn)了巨型黑洞的話，他們也不會(huì)感到驚奇。
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡也將參與這一搜索行動(dòng)。2009年4月在宇宙僅有6.3億年處發(fā)現(xiàn)了一次有可能會(huì)導(dǎo)致恒星坍縮成黑洞的爆發(fā)。計(jì)劃于2014年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡則會(huì)把我們的視線帶往更古老的宇宙。
不久，天文學(xué)家也許就可以直接觀察那個(gè)宇宙由黑洞主宰而黑洞又會(huì)宇宙帶來(lái)“秩序”的時(shí)期。無(wú)論是對(duì)于理論還是觀測(cè)天文學(xué)而言，那里都是宇宙的最前沿。
（本文已刊載于《世界科學(xué)》2010年第5期）
[Discover 2009年12月]
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