早期宇宙出現一堆超大質量黑洞不合理,新理論:可能大量氣體雲直接塌縮

作者 | 發布日期 2019 年 07 月 05 日 15:48 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly


越來越多觀測指出,宇宙不到 10 億歲就孕育出數十個超大質量黑洞,這現象無法靠現有恆星塌縮理論說通。美國科學家現在提出另一項合理的新理論,認為早期宇宙的超大質量黑洞並非緩慢吸積形成,而是大量氣體雲直接經歷重力塌縮,並且迅速吞食周遭物質成為質量巨獸。

根據恆星坍縮理論,當一顆大質量恆星(比太陽質量大 3 倍以上)內部核融合燃料耗盡後,會經歷重力塌縮、引發超新星爆炸、繼而轉變成恆星黑洞(SBM)或中子星。

雖然每個星系中心通常都有超大質量黑洞(SMBH),但要解釋它們的形成就有點難了,現有證據無法解開對超大質量黑洞的所有疑點。目前主要理論認為 SMBH 的形成方法就是緩慢吸積,在漫長歲月中努力吸收周遭物質,才從一個恆星黑洞變成超巨大黑洞。

然而現在,美國西方大學(Occidental College)團隊提出了 SMBH 另一個形成機制,和緩慢吸積理論完全相反:不是來自恆星殘骸,而是大量氣體雲在極短時間內直接經歷重力坍塌、迅速生長成超大質量黑洞,然後倏然停止。

該研究主要作者為西方大學天文學家 Shantanu Basu,他是早期宇宙恆星形成、原行星盤演化的研究權威之一。

科學家之所以會提出這種想法,是因為過去發現早期宇宙中超大質量黑洞的數量遠超預期。2017 年時,天文學家曾發現一個超大質量黑洞,質量高達太陽 8 億倍,但形成於大爆炸後僅 6.9 億年內;今年 3 月,來自台灣、日本、美國普林斯頓大學等國組成的國際天文團隊,更一舉從早期宇宙中找出 83 個超大質量黑洞。

要知道當時宇宙都還只是個孩子,孕育恆星已經有困難了,遑論還要等這些恆星老到經歷超新星爆炸轉為黑洞,然後黑洞再吃掉數億倍太陽質量慢慢長成超大質量黑洞?

多數天文學家都相信其中一定還有未知機制湊一腳,比如之前由喬治亞理工學院(Georgia Tech)、都柏林城市大學、密西根州立大學、加州大學聖地牙哥分校、聖地牙哥超級電腦中心(SDSC)等機構組成的團隊,便提出促進早期宇宙形成超大質量黑洞的另一機制:暗物質暈。

西方大學團隊提出的新機制和暗物質暈機制類似,且這項機制只發生在大爆炸後約 8 億年內,他們以電腦模型證明:只要花 1.5 億年,早期宇宙中不含恆星的大量氣體雲就會在自身重力下塌縮成小黑洞,無須超新星參與;接著,這種直接坍塌的黑洞(direct collapse black hole,DCBH)可以快速吞噬附近星雲物質,成長為如今我們發現的質量巨獸,直到其他恆星產生的輻射阻止它們繼續成長(輻射電離了中性氫氣體雲)。

新理論將能解決天文學棘手的問題,並且若回頭翻翻其他望遠鏡的觀測數據,或許能發現一些氣體雲直接塌縮的蛛絲軌跡。新論文發表在《天文物理期刊通訊》(The Astrophysical Journal Letters)。

(首圖為示意圖,來源:NASA

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