超大質(zhì)量黑洞的形成之謎

　　眾所周知，在每個(gè)大型星系中心都潛藏著一個(gè)宇宙巨獸——超大質(zhì)量黑洞。它們動(dòng)輒是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)萬(wàn)倍，甚至數(shù)億倍。這些大家伙的塊頭當(dāng)然不是與生俱來(lái)的，而是由較小的黑洞演化來(lái)的。但如果它們當(dāng)初只是恒星量級(jí)的黑洞(恒星在超新星爆發(fā)后的剩余殘骸)，然后靠一點(diǎn)一點(diǎn)吞吃物質(zhì)成長(zhǎng)起來(lái)的，那么似乎從宇宙誕生至今都嫌時(shí)間太短，來(lái)不及吃成這么胖。這就是困擾天文學(xué)家多年的“超大質(zhì)量黑洞形成之謎”。

　　在這種情況下，一種理論認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞可能是黑洞通過(guò)一步步碰撞合并而得來(lái)的：先是恒星量級(jí)的黑洞相互碰撞合并，形成更大的黑洞;然后更大的黑洞又再次合并，形成更更大的黑洞……如此等等，這可以大大縮短演化時(shí)間。

　　另一種理論則認(rèn)為，在大爆炸之初，由于物質(zhì)密度的漲落，有些區(qū)域的密度大到一定程度，在引力作用下就直接坍塌成了黑洞。由于這些黑洞一開始就逾越了恒星這一演化階段，其質(zhì)量可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)恒星量級(jí)，這相當(dāng)于為超大質(zhì)量黑洞的演化提供了更大的“種子”，故而也能縮短演化時(shí)間。

　　后一種理論叫“大種子理論”，相對(duì)的，前一種理論叫“小種子理論”。兩種理論孰是孰非，在天文學(xué)家中一直存在爭(zhēng)論。

　　問(wèn)題在于兩種理論都各有自己的短板：按大種子理論，在大爆炸后不久，宇宙物質(zhì)在密度漲落中就可以直接坍塌成大黑洞(比恒星量級(jí)質(zhì)量還大)。但是，由于小漲落出現(xiàn)的可能性比大漲落要高，如果大漲落能制造出大質(zhì)量黑洞，那么小漲落制造出的小黑洞(比恒星量級(jí)質(zhì)量小)應(yīng)該會(huì)更多才是?？晌覀兤癫](méi)有發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)比太陽(yáng)質(zhì)量還小的黑洞。至于小種子理論，它的困難在于找不到從恒星量級(jí)黑洞到超大質(zhì)量黑洞的過(guò)渡類型。

　在矮星系中心尋找大黑洞不可想象

　　2008年，法國(guó)天文學(xué)家瑪爾塔·沃倫特里提了個(gè)激進(jìn)的建議：應(yīng)該到那些小型的星系——矮星系——中尋找黑洞的過(guò)渡類型。如果找到了，那“小種子理論”就可能勝出了。

　　這個(gè)建議在其他人看來(lái)是異想天開。因?yàn)樵诎窍抵行膶ふ掖筚|(zhì)量的黑洞，在他們看來(lái)是不可想象的。這“不可想象”包含兩個(gè)方面：理論上和技術(shù)上。

　　理論上，天文學(xué)家認(rèn)為，矮星系中心不可能藏有大質(zhì)量黑洞。我們知道，像銀河系這樣的大型星系是100多億年來(lái)許多星系碰撞合并的產(chǎn)物。而矮星系要么沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)很多次合并，要么形成時(shí)間較短，而且往往缺少物質(zhì)來(lái)喂養(yǎng)盤踞在中心的黑洞。在這些條件下，這些黑洞都沒(méi)有機(jī)會(huì)長(zhǎng)成大質(zhì)量黑洞。

　　技術(shù)上，盤踞大型星系中心的超大質(zhì)量黑洞在“進(jìn)食”的時(shí)候，會(huì)發(fā)出刺眼的光芒，蓋過(guò)了周圍恒星的星光，天文學(xué)家通常就是通過(guò)這一點(diǎn)來(lái)發(fā)現(xiàn)它們的。但是，在沃倫特里提出建議的時(shí)候，天文學(xué)家還沒(méi)有在矮星系中看到過(guò)任何黑洞進(jìn)食的明確跡象。

　大質(zhì)量黑洞可能普遍存在

　　然而，到了2013年，沃倫特里的建議不再被認(rèn)為異想天開。這一年，一位天體物理學(xué)家根據(jù)黑洞進(jìn)食時(shí)發(fā)出的可見(jiàn)光的特征，編了一個(gè)算法，然后用這個(gè)算法去分析2.5萬(wàn)多個(gè)矮星系的數(shù)據(jù)。他在其中發(fā)現(xiàn)151個(gè)矮星系顯示出有黑洞在進(jìn)食的跡象，它們的質(zhì)量都在數(shù)十萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以上。這意味著矮星系中心藏有大黑洞是完全可能的。

　　最近，又有了新的技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)更多這些隱藏在矮星系中的巨獸。這項(xiàng)新技術(shù)得之偶然。研究人員在觀察一個(gè)黑洞候選者的時(shí)候，注意到它的光譜中有一條特殊的橙色譜線。在化學(xué)上，這個(gè)譜線標(biāo)志著鐵原子受到了劇烈的撞擊，以至于一下子失去了9個(gè)核外電子(鐵原子核外共有26個(gè)電子)。研究人員檢查了另一個(gè)黑洞候選者，也發(fā)現(xiàn)了同樣的譜線。雖然這兩個(gè)天體都沒(méi)有傳統(tǒng)意義上黑洞進(jìn)食的典型特征，但除了黑洞進(jìn)食導(dǎo)致的物質(zhì)劇烈碰撞和摩擦，很難想象還有什么過(guò)程能對(duì)鐵原子造成如此大的破壞。

　　隨后，研究人員編寫了算法，在觀測(cè)過(guò)的大約4.6萬(wàn)個(gè)矮星系中進(jìn)行搜索，他們?cè)?1個(gè)矮星系中發(fā)現(xiàn)了鐵原子的橙色光譜線。天文學(xué)家由此認(rèn)為，在這些矮星系的中心，都有一個(gè)巨大的黑洞正在進(jìn)食。

　　太空望遠(yuǎn)鏡也在幫助揭示這一點(diǎn)。2021年，天文學(xué)家將錢德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)8個(gè)矮星系長(zhǎng)時(shí)間觀察，這些矮星系都已被確認(rèn)中心有黑洞在進(jìn)食。這意味著，矮星系中心的大黑洞比我們能觀察到的還要普遍。

　　如果大質(zhì)量黑洞普遍存在——它們就在矮星系的中心——那么“小種子理論”的短板就被補(bǔ)上了。這樣，“小種子理論”就比“大種子理論”更令人信服了。

　　當(dāng)然，也有人認(rèn)為兩種理論并不是相互排斥的，而是可以兼容的。超大質(zhì)量黑洞既可以通過(guò)“小種子”持續(xù)地碰撞合并而成長(zhǎng)起來(lái)，也可以通過(guò)“大種子”慢慢吞吃周圍的物質(zhì)而成長(zhǎng)起來(lái)。