美媒文章:超大黑洞從早期宇宙走來

2021年07月07日17:54

原標題:美媒文章:超大黑洞從早期宇宙走來 來源:參考消息網

參考消息網7月7日報導 據美國《科學日報》網站6月16日發表題為《超大質量黑洞是如何起源的?》的文章稱,超大黑洞從早期宇宙走來。全文摘編如下:

超大質量黑洞是質量為太陽數百萬倍至數十億倍的黑洞。銀河系中就存在一個質量為太陽數百萬倍的超大質量黑洞。

令人意外的是,天體物理觀測顯示,在宇宙極其年輕的時候,超大質量黑洞就已存在。例如,在宇宙僅有目前年齡(137億年)6%的時候,就存在著10億個質量相當於太陽的黑洞。早期宇宙中的這些超大質量黑洞是如何產生的?

種子黑洞快速成長

美國加利福尼亞大學里弗賽德分校一位理論物理學家領導的研究團隊提出了一種解釋:可能由暗物質暈坍縮產生了大質量種子黑洞。

暗物質暈是指圍繞在星系或星系團周圍的不可見物質形成的暈圈。儘管暗物質從未在實驗室中探測到,但物理學家仍然相信這種神秘物質確實存在,構成了宇宙內容物的85%。倘若某個星系的可見物質沒有被牢牢嵌在暗物質暈當中,就會灰飛煙滅。

這項研究發表在美國《天體物理學雜誌通訊》上,由加利福尼亞大學里弗賽德分校物理學和天文學副教授於海波領導。他說:“早期宇宙中的超大質量黑洞位於暗物質暈的中心區域,物理學家對於它們為什麼在短時間內生長到質量如此巨大感到困惑。這就像一個5歲的孩子體重卻有200磅(約合90千克)。這樣的孩子會讓我們所有人吃驚,因為我們知道新生兒的一般體重以及嬰兒能以多快速度成長。就黑洞而言,物理學家對種子黑洞的質量及其生長速度也有普遍預期。但超大質量黑洞的存在表明,這種普遍預期已經被打破,需要有新的知識。這令人興奮。”

種子黑洞是處於初始階段的黑洞,類似於人類生命中的嬰兒階段。

於海波補充說:“我們可以想到兩個原因。種子黑洞,或者說‘嬰兒’黑洞,要麼質量大得多,要麼生長得比我們的想像快很多,或者兼而有之。隨之而來的問題是,是什麼樣的物理機製導致種子黑洞生成足夠大的質量,或是實現足夠快的增長速度?”

論文共同作者、美國芝加哥大學卡弗里宇宙學物理研究所博士後研究員鍾益鳴說:“黑洞要通過吸積周圍的物質來生出巨大質量,這需要時間。我們的論文證明,如果暗物質存在自身交互,那麼暗物質暈的坍縮可能導致一個質量足夠大的種子黑洞,這種黑洞的生長速度也會更符合普遍預期。”

暗物質暈進化坍縮

在天體物理學中,一個用來解釋超大質量黑洞的流行機製是早期宇宙原星系中原始氣體的坍縮。

於海波說:“不過,這種機製無法產生質量足夠大的種子黑洞來解釋新觀察到的超大質量黑洞,除非種子黑洞經曆了極快的生長速度。”

他說:“我們的研究將提供另外一種解釋:自身交互的暗物質暈經曆了引力熱力學不穩定,其中心區域坍縮成種子黑洞。”

於海波及其同事提出的運行機製如下:暗物質粒子首先在引力影響下聚集在一起,形成暗物質暈。在暗物質暈的進化過程中,兩種相互競爭的力量——引力和壓力——共同作用。引力將暗物質粒子向內拉,壓力則把它們朝外推。

如果暗物質粒子沒有任何自身交互,那麼隨著引力把它們拉向暗物質暈中心,它們會變得更熱,也就是說,將運動得更加迅速,而壓力實際上也在增大,暗物質粒子會反彈回來。

不過,在暗物質自身交互的情況下,自身交互作用就能把這些“更熱”粒子的熱量傳遞給附近較冷的粒子,這將使得暗物質粒子難以反彈。

於海波解釋說,暗物質暈中心會坍縮成黑洞,它具有角動量,這意味著它是自旋的。自身交互會導致黏滯,即“摩擦”,消解角動量。在坍縮過程中,由於黏滯的原因,質量固定的暈中心半徑縮小、自旋速度減慢。隨著進化的繼續,暈中心最終坍縮成一種奇態:種子黑洞。這顆“種子”可以通過吸積四周的重子物質——即諸如氣體和恒星等可見物質——從而生長得更為巨大。

於海波說:“我們這一設想的優勢在於,種子黑洞是由暗物質暈坍縮而產生,質量可以很大。因此,它可以在相對較短的時間量程內成為超大質量黑洞。”

重子物質受到關注

這項研究的新穎之處在於,研究人員指出了重子(即普通的原子和分子粒子)對於本設想成立的重要意義。

該論文共同作者馮維祥說:“首先,我們證明了氣體和恒星等重子的存在能夠顯著加快暗物質暈發生引力熱力學坍縮、種子黑洞能在足夠早的時候形成。其次,我們證明了自身交互會導致黏滯,消解暈中心殘留的角動量。第三,我們開發了一種方法研究什麼條件會引發暗物質暈因廣義相對不穩定性而坍縮,如果條件得到滿足,這種不穩定性將確保種子黑洞的形成。”

在過去十年里,於海波仔細研究了關於暗物質自身交互的新奇預測以及相關觀測結果。他的研究表明,自身交互的暗物質可以合理解釋星系中觀測到的恒星和氣體活動。

他說:“眾多星系的中心區域都是由恒星和氣體主宰。因此人們自然會問,這些重子物質的存在會如何影響坍縮過程。我們證明它會加速坍縮的發生。這一特徵恰恰就是我們需要用以解釋早期宇宙中超大質量黑洞起源的東西。自身交互還導致黏滯,黏滯消解了暈中心的角動量,進一步助推了坍縮進程。”

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