今年，科學(xué)家向我們展示了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的照片。它距離我們約 2.7 萬(wàn)光年，質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的 400 萬(wàn)倍。然而它的質(zhì)量實(shí)際上處于超大質(zhì)量黑洞的低端，它們中的一些質(zhì)量是數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)的量級(jí)。但問(wèn)題是，超大質(zhì)量黑洞在現(xiàn)有理論上是不應(yīng)該存在的。
首先我們需要準(zhǔn)確理解“超大質(zhì)量”的含義。黑洞根據(jù)它們的質(zhì)量分為三類：恒星質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的數(shù)十倍；中等質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的 100 到 10 萬(wàn)倍；最后是超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量是太陽(yáng)的 10 萬(wàn)到數(shù)十億倍。一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)在星系的中心發(fā)現(xiàn)這些超大質(zhì)量黑洞。
我們自己的銀河系有一個(gè)質(zhì)量約為 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，我們知道它的存在已經(jīng)有一段時(shí)間了，這主要是因?yàn)樗绊懥烁浇阈堑倪\(yùn)動(dòng)，而這些恒星也幫助我們計(jì)算了它的質(zhì)量。雖然這個(gè)超大質(zhì)量黑洞有 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，但它的直徑最多與水星的軌道相當(dāng)。它的直徑只能容納 17 個(gè)太陽(yáng)，比大多數(shù)活躍的巨星都還要小。但是，宇宙的年齡也不足以讓任何恒星質(zhì)量的黑洞變成超大質(zhì)量黑洞，所以它們是如何存在的？
首先，我們需要了解恒星級(jí)黑洞是如何形成的。在一顆活躍的恒星內(nèi)部，有一種非常微妙的平衡在起作用，它稱為“流體靜力平衡”。核心向外的輻射壓力阻止了引力向內(nèi)坍縮。在恒星生命末期，核燃料耗盡，輻射壓力停止。如果恒星足夠大，那么核心就會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，在坍縮過(guò)程中釋放出巨大的能量將其余的吹散成超新星。所以只有核心變成了黑洞，它大約占整個(gè)恒星質(zhì)量的 10% 到 15%，這限制了黑洞形成時(shí)的質(zhì)量。
來(lái)自恒星核心的向外輻射壓力不僅克服引力，它還將粒子從恒星表面推入太空，我們稱之為“恒星風(fēng)”。恒星質(zhì)量越大，其核心越熱，這意味著輻射壓力越大，發(fā)射的粒子越多。如果恒星的質(zhì)量足夠高，那么恒星風(fēng)就會(huì)非常強(qiáng)烈，以至于恒星的質(zhì)量會(huì)明顯下降，這被稱為愛(ài)丁頓極限。如果一顆恒星試圖形成更高的質(zhì)量，那么該恒星的質(zhì)量將減小到那個(gè)極限，我們估計(jì)它大約是 130 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。如果核心最多只有那個(gè)質(zhì)量的 15%，它最終形成的黑洞只有大約 20 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
這個(gè) 20 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的限制僅適用于恒星質(zhì)量黑洞的形成，但恒星通常在雙星系統(tǒng)中形成，有時(shí)甚至是三星系統(tǒng)。如果雙星系統(tǒng)中的兩顆恒星都在質(zhì)量上限，那么它們都會(huì)變成黑洞。如果我們給它們足夠的時(shí)間，它們將發(fā)射引力波導(dǎo)致軌道越來(lái)越近，最終會(huì)相互合并。如果有更多時(shí)間，那些更大的合并黑洞可以找到彼此，并再次合并。根據(jù)我們的估計(jì)，黑洞存在的時(shí)間足夠長(zhǎng)，足以使該過(guò)程達(dá)到最大約 200 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
不過(guò)，即使有合并，宇宙也沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)制造一個(gè)大于 200 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，更不用說(shuō)任何超大質(zhì)量黑洞了。要制造一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，我們需要從一顆質(zhì)量為數(shù)萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的恒星開始，我們需要這顆恒星存在于宇宙中不存在的恒星時(shí)期。
早期宇宙是一個(gè)非常不同的地方，在恒星出現(xiàn)之前，在星系出現(xiàn)之前，宇宙非常均勻。但它并不完全均勻，這些輕微的不均勻性最終變成了充滿星系的超級(jí)星團(tuán)。假設(shè)物質(zhì)在一個(gè)特定的地方坍塌得如此之快，以至于它跳過(guò)了核聚變并立即變成一個(gè)微小的黑洞。這個(gè)黑洞被物質(zhì)所包圍，物質(zhì)會(huì)落入導(dǎo)致黑洞增長(zhǎng)。這種連續(xù)坍縮會(huì)釋放大量能量，但周圍物質(zhì)的引力也如此之大，它可以像恒星一樣達(dá)到流體靜力平衡。
它將是一顆類星，不過(guò)更恰當(dāng)?shù)姆Q呼是黑洞星。它不是核聚變引起的向外壓力，而是由落入黑洞的物質(zhì)引起的，這顆類星的核心將是黑洞。愛(ài)丁頓極限在此時(shí)就不適用了，因?yàn)樵摌O限假設(shè)大部分空間都是空的，可以讓粒子逃逸。但在早期的宇宙中，這顆準(zhǔn)恒星是被物質(zhì)所包圍，只是密度比恒星本身的密度略低。任何在恒星風(fēng)中發(fā)射的粒子都會(huì)被周圍物質(zhì)所彌補(bǔ)。隨著時(shí)間的推移，周圍的物質(zhì)會(huì)落入黑洞。到那時(shí)，黑洞將增長(zhǎng)到至少一千個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，也有可能達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
隨著時(shí)間的推移，這些中等質(zhì)量的黑洞會(huì)積累更多物質(zhì)，偶爾會(huì)相互發(fā)現(xiàn)并合并，最終成為我們今天在星系中心看到的超大質(zhì)量黑洞。不過(guò)，這一切并沒(méi)有證據(jù)支持。根據(jù)當(dāng)前的物理學(xué)，“黑洞星”只是我們對(duì)超大質(zhì)量黑洞起源的一種猜測(cè)。我們甚至還沒(méi)有對(duì)第一代真正的恒星進(jìn)行過(guò)確認(rèn)的觀測(cè)，更不用說(shuō)這些假設(shè)的類星了。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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