新的研究表明：超級(jí)黑洞形成時(shí)間實(shí)比想象得要早，這讓科學(xué)家意外

2023.04.08 云南

在宇宙大爆炸后，超級(jí)黑洞是如何形成并如何釋放強(qiáng)大噴流的？

在過(guò)去的幾十年里，天文學(xué)家已經(jīng)有能力去探索宇宙的更多奧秘，也有能力回溯時(shí)間，幾乎可以回到宇宙的起源。因此，他們了解了許多宇宙中早期星系和星系后期演化的知識(shí)。盡管如此，還是有許多事情游離于人類(lèi)的認(rèn)知之外，比如說(shuō)，我們不知道有著超級(jí)黑洞和大質(zhì)量噴流的星系是何時(shí)出現(xiàn)的？

國(guó)際高等研究學(xué)院(SISSA)和日本、臺(tái)灣的一組天文學(xué)家的研究，為超級(jí)黑洞是如何在宇宙大爆炸后8億年開(kāi)始形成，以及相對(duì)論性噴流是如何在大爆炸后不到20億年形成的提供了新的見(jiàn)解。這些不斷增長(zhǎng)的論據(jù)，表明了宇宙中大質(zhì)量物體是如何形成的比我們想象的更快。

早在半個(gè)多世紀(jì)前，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞。很快，他們便意識(shí)到了這些黑洞存在于大部分大型星系的中心區(qū)域。研究學(xué)者們一直悉心鉆研超大質(zhì)量黑洞在星系演化中的作用，當(dāng)代天文學(xué)家證實(shí)它們與行星的形成息息相關(guān)。

同樣，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超大質(zhì)量黑洞周?chē)奂司o密的吸積盤(pán)，在那周?chē)臍怏w和塵埃的運(yùn)行速度接近于光速。這使得一些星系的中心異常明亮（即活動(dòng)星系核），甚至比同一星系的其他行星更加閃耀。有些時(shí)候，這些吸積盤(pán)還會(huì)引發(fā)熱流的爆發(fā)，使得在幾十億光年之外的地方還能看得到。根據(jù)傳統(tǒng)模型，宇宙的壽命若不到十億年（至今宇宙已存在約130億年），中心黑洞是無(wú)法形成的。但近期有研究表明，早在宇宙形成的十億年間，黑洞就已經(jīng)在星系中心慢慢形成。

為了證明這一觀點(diǎn)，來(lái)自里雅斯特高級(jí)國(guó)際研究中心的科學(xué)家提供了合理的解釋?zhuān)⒘诵碌哪Ｐ汀１娝苤?，超?jí)質(zhì)量黑洞形成于早期星系的中心地帶，以此事實(shí)為基礎(chǔ)，宇宙基礎(chǔ)物理協(xié)會(huì)（FPU）的博士Lumen Boco帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始對(duì)這一主題的研究。這些早期天體是當(dāng)今橢圓星系的前身，高濃度氣體環(huán)繞，且新星的形成速率極快。這些早期星系中的初代行星存在時(shí)間并不長(zhǎng)，但他們很快就進(jìn)化成了黑洞，體積微小，數(shù)不勝數(shù)。黑洞周?chē)母呙芏葰怏w會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦，迫使它們不斷向信息中心速移。這就是超級(jí)質(zhì)量黑洞發(fā)育的搖籃，在此它們隨著時(shí)間緩慢生長(zhǎng)。

來(lái)自天文學(xué)家關(guān)于S2恒星運(yùn)動(dòng)軌跡的圖正是它從位于銀河中心的超大質(zhì)量黑洞近距離掠過(guò)的時(shí)候的畫(huà)面。（圖片來(lái)源于：ESO/M. Kornmesser.）

正如研究團(tuán)隊(duì)在近期發(fā)表的SISS新聞文章中解釋到：依據(jù)經(jīng)典理論，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞潛伏在銀河系中心，它會(huì)吸取周邊的物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的增長(zhǎng)，主要為氣體，最終以與其本身質(zhì)量成正比的節(jié)奏吞噬所吸取的物質(zhì)。正因此，在黑洞生長(zhǎng)的初始階段，也是其質(zhì)量小的時(shí)候，其生長(zhǎng)速度非常慢。根據(jù)計(jì)算，在某種程度上，如果要達(dá)到所觀測(cè)到的質(zhì)量——太陽(yáng)的數(shù)十億倍，需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間，甚至比年輕的宇宙形成的時(shí)間還要長(zhǎng)。

然而，在他們最初建立的數(shù)據(jù)模型中表明中心黑洞的形成過(guò)程在其成長(zhǎng)初始階段是非常迅速的。這不僅為超大質(zhì)量黑洞種子存在于早期宇宙中提供了一種解釋?zhuān)彩沟盟麄兊纳L(zhǎng)時(shí)間與已知的宇宙年齡相一致。簡(jiǎn)言之，他們的研究表明早期黑洞的遷移與合并的過(guò)程使得超大質(zhì)量黑洞種子在5千萬(wàn)至1億萬(wàn)年間成長(zhǎng)至1萬(wàn)乃至10萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量。如研究團(tuán)隊(duì)解釋?zhuān)喝舭闯＠韥?lái)設(shè)想，中心黑洞的快速增長(zhǎng)是由前面提到的氣體的直接積聚造成的，因?yàn)樗鼤?huì)吸引和吸收大量的氣體。這一設(shè)想在我們的猜想過(guò)程中占主導(dǎo)地位。然而，正是從我們的機(jī)制所設(shè)想的如此大的黑洞種子開(kāi)始，加速了超大質(zhì)量黑洞的整體增長(zhǎng)，并且允許它存在于年輕的宇宙中。簡(jiǎn)言之，根據(jù)這個(gè)理論，我們可以說(shuō)，在宇宙大爆炸之后的8億年中，超大質(zhì)量黑洞已經(jīng)填滿(mǎn)了宇宙。

對(duì)于已觀測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞（Supermassive Black Hole, SMBH），研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)方法來(lái)測(cè)試現(xiàn)有的研究模型。一方面，通過(guò)引力波探測(cè)器例如激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational Observatory，LIGO）和室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）探測(cè)超大質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的引力波，未來(lái)還將使用愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行表征。

除此以外，超大質(zhì)量黑洞的后續(xù)發(fā)展可以通過(guò)諸如歐洲空間局（Europe Space Agency，ESA）計(jì)劃于2035年左右發(fā)射的空間激光干涉天線(xiàn)（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）進(jìn)行探測(cè)。

與此計(jì)劃類(lèi)似地，有一組天文學(xué)家近來(lái)使用位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）來(lái)研究關(guān)于星系的另一個(gè)謎團(tuán)，即：為什么有些星系有噴流但是有些星系沒(méi)有噴流。這些高速?lài)娏魇且韵鄬?duì)論速度（接近光速）運(yùn)動(dòng)的離子物質(zhì)，目前已在部分星系的中心觀測(cè)到。天文學(xué)家認(rèn)為這些高速?lài)娏髋c星系的恒星形成率有關(guān)，因?yàn)檫@些被噴出的物質(zhì)如果留在星系內(nèi)會(huì)逐漸形成新的恒星。換句話(huà)說(shuō)，這些高速?lài)娏髟谛窍笛莼邪缪莸慕巧c大質(zhì)量黑洞非常相似。

因此，天文學(xué)家開(kāi)始對(duì)黑洞噴流與氣體云隨時(shí)間推移的相互作用進(jìn)行了更多研究?？上У氖?，宇宙形成早期的這類(lèi)相互作用非常難觀測(cè)到。一組天文學(xué)家通過(guò)使用ALMA獲得了第一張來(lái)自宇宙極深處的類(lèi)星體的氣態(tài)云擾動(dòng)的照片。

MG J0414+0534的重構(gòu)圖像顯示了類(lèi)星體（紅色）周?chē)膲m埃和離子氣體和一氧化碳?xì)怏w（綠色）的發(fā)射是存在兩極結(jié)構(gòu)的。（圖片來(lái)源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue等）

日本近畿大學(xué)的井上教授（Kaikitaro Inoue）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最近在《天體物理學(xué)快報(bào)》發(fā)表了他們的研究結(jié)果。井上教授和他的同事解釋到：ALMA的觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示了從一顆距離地球110億光年的類(lèi)星體MG J0414+0534噴射出的年輕雙極噴流。這項(xiàng)研究表明含有超大質(zhì)量黑洞和噴流的星系在宇宙大爆炸30億年以?xún)?nèi)就出現(xiàn)了。

除了ALMA之外，研究小隊(duì)還依賴(lài)于一種稱(chēng)為引力透鏡的技術(shù)，即干涉星系的引力將來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的光放大。多虧這臺(tái)“宇宙望遠(yuǎn)鏡”和ALMA的高分辨率，研究小組能夠觀察到MG J0414+0534周?chē)芨蓴_的氣態(tài)云的同時(shí)，還確定它們是由星系中心SMBH發(fā)射不久的噴流造成的。

正如日本國(guó)家天文臺(tái)/SOKENDAI項(xiàng)目副教授Kouichiro Nakanishi在ALMA新聞稿中所講的：

“結(jié)合這架宇宙望遠(yuǎn)鏡和ALMA的高分辨率觀測(cè)，我們獲得了異常敏銳的視力，是人類(lèi)視力9000多倍。通過(guò)這種極高的分辨率，我們能夠獲得從超大質(zhì)量黑洞噴射出來(lái)的噴流周?chē)鷼怏w云的分布和運(yùn)動(dòng)。”

這些觀測(cè)結(jié)果同樣表明，氣體沿著噴射方向受到?jīng)_擊，導(dǎo)致顆粒劇烈移動(dòng)，并加速至600公里/秒（370英里/秒）。更重要的是，這些受影響的氣態(tài)云和噴流本身比這個(gè)年齡的典型星系要小得多。

藝術(shù)家對(duì)MGJ0414+0534的（描述）印象，展現(xiàn)了強(qiáng)大的噴流干擾著整個(gè)星系周?chē)臍怏w。歸功于金戴大學(xué)的研究小組，他們由此得出結(jié)論，在MGJ0414+0534星系中目睹了一個(gè)非常早期的噴流演化階段。

如果是真的，這些觀測(cè)結(jié)果使研究小組得以見(jiàn)證早期宇宙中星系的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)化過(guò)程。

正如井上所總結(jié)的：“因?yàn)橛袊娏鞯哪贻p，MGJ0414+0534星系是一個(gè)很好的例子。我們發(fā)現(xiàn)了噴流和氣態(tài)云之間顯著相互作用的證據(jù)，即使在噴流的早期演化階段也是如此。我認(rèn)為我們的發(fā)現(xiàn)將為更好地理解早期宇宙中星系的進(jìn)化過(guò)程鋪平道路。”

這些研究表明，宇宙中兩個(gè)最強(qiáng)大的天文現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間比預(yù)期的要早。這一發(fā)現(xiàn)也為天文學(xué)家提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)探索這些現(xiàn)象是如何隨時(shí)間演化的，以及它們?cè)谟钪嫜莼兴鸬淖饔谩?/p>

參考資料

1.Wikipedia百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3.Three Dreams，LRZ，〆Vian，小浣熊愛(ài)鹿鹿，extraterrestrial-universetoday

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參考資料

1.WJ百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

3.原文來(lái)自：https://www.universetoday.com/145503/how-were-supermassive-black-holes-already-forming-and-releasing-powerful-jets-shortly-after-the-big-bang/

本文由天文志愿文章組-Three Dreams，LRZ，〆Vian，小浣熊愛(ài)鹿鹿，extraterrestrial翻譯自u(píng)niversetoday的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)于三十日以?xún)?nèi)聯(lián)系運(yùn)營(yíng)者刪除。

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