那些胖出天際的黑洞是怎麼吃成這樣的？
作者：王善欽 南京大學，加州大學伯克利分校
編輯：明天
宇宙中有一種特殊的星系，因其中心的黑洞瘋狂吞食周圍物質而發出極強的光芒，但因其發光區域比普通的星系小得多，
類星體與巨型黑洞
早在1960年，天文學家就發現了所謂的“類星體”，
對於類星體的研究，最近一些年的一個重要進展是：發現了許多遠古時期的類星體。這些類星體在宇宙年齡僅10億年的時候就已經形成，並發出強光。比如，2015年，北京大學的吳學兵教授在《自然》 （ Nature）上發表論文[2]，宣佈發現一個宇宙年齡僅9億年時（紅移為6.3）的類星體 SDSS J010013.02+280225.8。要知道，當前宇宙的年齡大約為138億年，
銀河系內黑洞的成因很好解釋；但對於早期宇宙中那些幾十億個、甚至上百億個太陽那麼重的黑洞，問題就來了：這些黑洞是如何在不到10億年的時間裡長到那麼大的？
難題：多大的“種子”才能足夠快地形成超級巨型黑洞？
關於這些比幾十億個太陽還重的超級巨型黑洞的來源，當前有個公認的看法：極早期宇宙中，大塊的物質雲因為自身內部的不均勻而開始結團，
種子黑洞一方面會吃周圍的東西，另一方面還會和其他種子黑洞併合，成為更大的黑洞。通過幾億年的吞食與併合，種子黑洞就可以成為幾十億個太陽那麼重的巨型黑洞。
這個理論看似很自然，但需要通過嚴格的計算和數值模擬來驗證。事實上，此前的很多模擬都遇到了不同程度的困難。為了能夠在不到10億年的時間裡增長到幾十億個太陽那麼重，要求種子黑洞就得有幾萬個太陽那麼重。但是，如何形成這麼重的種子黑洞呢？
有一個方案似乎可以解決這個問題，這個方案假定早期宇宙中可以形成10萬個太陽那麼重的氣體團，直接坍縮為黑洞。而這個理論的缺點是：必須假定這樣的氣體團附近有明亮的星系，而這並不容易實現。因此，早期黑洞種子的品質問題，一直存在爭議。
解決問題的新思路：“讓子彈飛一會”
直到不久前，得州大學奧斯丁分校天文系與東京大學物理系的Hirano與其合作者在《科學》（Science）雜誌上發表了一篇論文[1]。這篇論文宣佈，新的數值模擬表明早期宇宙能以最自然的方式，讓種子黑洞達到3萬多個太陽那麼重，然後再通過斷斷續續的吞食，在幾億年的時間裡成長為20億個太陽那麼重的怪獸級別巨型黑洞。
他們假定早期宇宙的物質團中的氣體粒子以超過聲速的相對速度（大約40千米每秒）在暗物質中運動。這裡說的“氣體粒子”和“暗物質”是兩種東西，氣體粒子主要是我們熟悉的氫原子與氫分子，而暗物質到現在還不知道它們到底是什麼，只知道它們彌漫在宇宙中，含量大約是我們熟悉的普通物質的5倍。
氣體粒子像頑皮的孩子，暗物質像幼稚園的老師。氣體粒子的高速度逃離與暗物質的引力束縛形成有效對抗，使自身不至於被中心暗物質團的引力輕易地束縛住一起。要注意，暗物質粒子也會結團，中心的暗物質團密度大，彌漫在周圍的暗物質密度小。
Hirano等人的數值模擬表明，當宇宙年齡約為1億年時，氣體中心的暗物質團增長、合併為1000萬個太陽那麼重的大暗物質團（圖3的A圖），形成的引力足以將一些高速運動的氣體束縛住、並形成長條狀的氣體分佈（圖3的B、C圖）。
此前的模擬沒有考慮氣體粒子的高速運動，得到的暗物質團的品質只有大約10萬個太陽那麼重。這個模擬的要點就在於：假定氣體超聲速運動，使得暗物質團必須比之前模擬出的重得多，才可以將這些氣體束縛住。換句話說，就是：“讓子彈飛一會”。
氣體凝聚過程中產生的衝擊波將這些氣體加熱到大約1萬攝氏度，然後降溫到大約8千攝氏度，然後氣體內部溫度一直降到100多攝氏度，氣體內部的氣體團重量達到26000個太陽（圖3的D圖），此時氣體開始變得不穩定，開始迅速收縮，同時這個氣體團周圍的氣體大量向它傾瀉，以每年增加大約1個太陽重量的速度逐漸增大。這個過程使氣體內部的溫度再次升高，最後在氣體中心形成一個原始階段的恒星，即“原恒星”。
原恒星剛形成時品質很小，之後立即開始吃周圍的氣體，只用2千年就能使自身增長到50個太陽那麼重（原恒星增長速度比其週邊氣體增長速度小得多）。7萬年後（圖3的E圖），原恒星發出的高能紫外線將附近“纖維狀”雲團中的氫分子分解為氫原子。隨著紫外線越來越強烈，氫原子被進一步分解為氫離子和電子，使得原恒星的兩極方向上短暫地出現了電離氫為主的雲團（圖3的F圖和G圖，紅色部分）；與此同時，“纖維”分離為一個個團塊，團塊到達中心的原恒星（圖3的H圖），被原恒星吃掉一部分。
通過這樣的吞食方式，原恒星在形成後的30萬年內增長到1萬個太陽那麼重的穩定“超巨星”（supergiant），平均每年吃掉的氣體大約是0.04個太陽那麼重。再經過大約1億年，這個超巨星增長到34000個太陽那麼重。
種子黑洞的形成與成長
34000個太陽那麼重的恒星只要經過大約百萬年時間，就會結束生命。由於品質太大，即使內部發生爆炸，也無法將其炸開，只會使自身直接坍縮為黑洞。於是，34000個太陽那麼重的種子黑洞就形成了。
種子黑洞位於之前孕育出原恒星的一大團氣體中間，因此可以不斷吞食這些氣體。種子黑洞越重，吃東西吃得越快，重量也就增長地越快。這項新研究的後續數值模擬表明：經過大約6.5億年時間（此時宇宙的年齡為7.5億年），這個種子黑洞就能增長到20億個太陽那麼重，成為一個超級巨型黑洞。
NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)
此前的模擬雖然也可以產生幾萬到幾十萬個太陽那麼重的種子黑洞，但用到了更多特殊的假定。這項新工作去掉那些特殊的假定，只假定氣體粒子高速運動，使得暗物質團必須在非常大時（比此前模擬得到的數值大100倍）才可以讓氣體結成原恒星，然後就讓原恒星在此後開始通過吞食周圍氣體而成為一個34000個太陽那麼重的恒星，再收縮為一個同樣重的種子黑洞。這項研究對於如何解決“形成足夠大的種子黑洞”這個問題提供了一個新的思路。
作者名片
排版：曉嵐
參考文獻：
[1] Hirano, Shingo; Hosokawa, Takashi; Yoshida, Naoki; Kuiper, Rolf. 2017, Science, 357, 1375
[2] Wu, Xue-Bing; Wang, Feige; Fan, Xiaohui, et al. 2015, Natur, 518, 512
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從論文到科普，只有一步
這個理論看似很自然，但需要通過嚴格的計算和數值模擬來驗證。事實上，此前的很多模擬都遇到了不同程度的困難。為了能夠在不到10億年的時間裡增長到幾十億個太陽那麼重，要求種子黑洞就得有幾萬個太陽那麼重。但是，如何形成這麼重的種子黑洞呢？
有一個方案似乎可以解決這個問題，這個方案假定早期宇宙中可以形成10萬個太陽那麼重的氣體團，直接坍縮為黑洞。而這個理論的缺點是：必須假定這樣的氣體團附近有明亮的星系，而這並不容易實現。因此，早期黑洞種子的品質問題，一直存在爭議。
解決問題的新思路：“讓子彈飛一會”
直到不久前，得州大學奧斯丁分校天文系與東京大學物理系的Hirano與其合作者在《科學》（Science）雜誌上發表了一篇論文[1]。這篇論文宣佈，新的數值模擬表明早期宇宙能以最自然的方式，讓種子黑洞達到3萬多個太陽那麼重，然後再通過斷斷續續的吞食，在幾億年的時間裡成長為20億個太陽那麼重的怪獸級別巨型黑洞。
他們假定早期宇宙的物質團中的氣體粒子以超過聲速的相對速度（大約40千米每秒）在暗物質中運動。這裡說的“氣體粒子”和“暗物質”是兩種東西，氣體粒子主要是我們熟悉的氫原子與氫分子，而暗物質到現在還不知道它們到底是什麼，只知道它們彌漫在宇宙中，含量大約是我們熟悉的普通物質的5倍。
氣體粒子像頑皮的孩子，暗物質像幼稚園的老師。氣體粒子的高速度逃離與暗物質的引力束縛形成有效對抗，使自身不至於被中心暗物質團的引力輕易地束縛住一起。要注意，暗物質粒子也會結團，中心的暗物質團密度大，彌漫在周圍的暗物質密度小。
Hirano等人的數值模擬表明，當宇宙年齡約為1億年時，氣體中心的暗物質團增長、合併為1000萬個太陽那麼重的大暗物質團（圖3的A圖），形成的引力足以將一些高速運動的氣體束縛住、並形成長條狀的氣體分佈（圖3的B、C圖）。
此前的模擬沒有考慮氣體粒子的高速運動，得到的暗物質團的品質只有大約10萬個太陽那麼重。這個模擬的要點就在於：假定氣體超聲速運動，使得暗物質團必須比之前模擬出的重得多，才可以將這些氣體束縛住。換句話說，就是：“讓子彈飛一會”。
氣體凝聚過程中產生的衝擊波將這些氣體加熱到大約1萬攝氏度，然後降溫到大約8千攝氏度，然後氣體內部溫度一直降到100多攝氏度，氣體內部的氣體團重量達到26000個太陽（圖3的D圖），此時氣體開始變得不穩定，開始迅速收縮，同時這個氣體團周圍的氣體大量向它傾瀉，以每年增加大約1個太陽重量的速度逐漸增大。這個過程使氣體內部的溫度再次升高，最後在氣體中心形成一個原始階段的恒星，即“原恒星”。
原恒星剛形成時品質很小，之後立即開始吃周圍的氣體，只用2千年就能使自身增長到50個太陽那麼重（原恒星增長速度比其週邊氣體增長速度小得多）。7萬年後（圖3的E圖），原恒星發出的高能紫外線將附近“纖維狀”雲團中的氫分子分解為氫原子。隨著紫外線越來越強烈，氫原子被進一步分解為氫離子和電子，使得原恒星的兩極方向上短暫地出現了電離氫為主的雲團（圖3的F圖和G圖，紅色部分）；與此同時，“纖維”分離為一個個團塊，團塊到達中心的原恒星（圖3的H圖），被原恒星吃掉一部分。
通過這樣的吞食方式，原恒星在形成後的30萬年內增長到1萬個太陽那麼重的穩定“超巨星”（supergiant），平均每年吃掉的氣體大約是0.04個太陽那麼重。再經過大約1億年，這個超巨星增長到34000個太陽那麼重。
種子黑洞的形成與成長
34000個太陽那麼重的恒星只要經過大約百萬年時間，就會結束生命。由於品質太大，即使內部發生爆炸，也無法將其炸開，只會使自身直接坍縮為黑洞。於是，34000個太陽那麼重的種子黑洞就形成了。
種子黑洞位於之前孕育出原恒星的一大團氣體中間，因此可以不斷吞食這些氣體。種子黑洞越重，吃東西吃得越快，重量也就增長地越快。這項新研究的後續數值模擬表明：經過大約6.5億年時間（此時宇宙的年齡為7.5億年），這個種子黑洞就能增長到20億個太陽那麼重，成為一個超級巨型黑洞。
NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)
此前的模擬雖然也可以產生幾萬到幾十萬個太陽那麼重的種子黑洞，但用到了更多特殊的假定。這項新工作去掉那些特殊的假定，只假定氣體粒子高速運動，使得暗物質團必須在非常大時（比此前模擬得到的數值大100倍）才可以讓氣體結成原恒星，然後就讓原恒星在此後開始通過吞食周圍氣體而成為一個34000個太陽那麼重的恒星，再收縮為一個同樣重的種子黑洞。這項研究對於如何解決“形成足夠大的種子黑洞”這個問題提供了一個新的思路。
作者名片
排版：曉嵐
參考文獻：
[1] Hirano, Shingo; Hosokawa, Takashi; Yoshida, Naoki; Kuiper, Rolf. 2017, Science, 357, 1375
[2] Wu, Xue-Bing; Wang, Feige; Fan, Xiaohui, et al. 2015, Natur, 518, 512
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