黑洞誕生於大爆炸？超大質量黑洞為啥一開始就這麼大？

在整個宇宙中,最令人歎爲觀止的天體之一, 非超大質量黑洞莫屬, 它們的質量往往高達數百萬,數十億, 甚至數百億個太陽, 是我們已知宇宙中最沉重的單一天體。 而現代天體物理學面臨的最大難題之一, 就是弄清楚這些龐然大物究竟是如何形成, 又是如何在宇宙早期迅速成長起來的。 令人意外的是,進入微薄太空望遠鏡時代後, 這個問題不僅沒有得到解決,反而變得更加棘手。 當我們向時間深處回望, 看到的是一個令人難以置信的事實, 在宇宙誕生後的短短數億年內, 超大質量黑洞就已經存在, 而且質量往往達到數億, 甚至逼近十億個太陽。 也就是說,當宇宙還不到現在年齡的百分之五十, 這些宇宙怪獸就已經在星際的核心安然坐着了。 那麼,究竟是什麼讓它們得以如此快速地成長? 我們是否只需要傳統的天體物理過程, 就能解釋它們的誕生, 比如由恆星探索而來的普通黑洞, 再通過吞噬氣體和合並一路變大? 還是說,宇宙在大爆炸之後, 就直接誕生了某些黑洞種子, 爲它們後來的爆長提前鋪好了道路? 換句話說, 那些黑洞是否有可能就是大爆炸本身的直接產物? 雖然我們要討論的這篇文章本身並不是專門研究早期黑洞的, 而是關於JWST觀測到的一些早期星系的恆星形成歷史, 但其中有一個非常關鍵的圖表值得我們從它開始說起。 它展示了宇宙僅有目前年齡約50%, 這些早期星系裏推算出的黑洞質量, 與它們內部恆星總質量之間的關係。 接下來,我們就從這個圖開始,逐步解開謎團。 這張圖之所以重要, 是因爲在這些早期星系中, 我們可以同時近似估算兩個量, 這些星系中以恆星形式存在的總質量, 以及這些星系中超大質量黑洞的總質量。 這張圖顯示了針對一組星系的三種估算結果, 藍色,恆星質量最小,黃色,恆星質量居中, 和紅色,恆星質量最大。 從藍色、黃色和紅色點之間的跨度可以看出, 不確定性很大, 我們無法在早期階段很好地確定恆星或超大質量黑洞的質量。 然而,藍色和黃色點提出了一種重要的可能性, 黑洞的質量可能佔恆星質量的很大一部分。 對於藍色點,這個比例高達10到30%, 對於黃色點,這個比例相對較低, 約爲2到5%, 而對於紅色點,這個比例則低至約0.001到0.006%。 藍色和黃色點的重要性在於, 如今,當我們繪製更典型的星系黑洞質量與恆星質量之比時, 我們得到的數值通常約爲0.1%, 這表明在早期階段, 星系中的黑洞質量可能比恆星質量更大。 例如,以梅西耶87星系中心的黑洞爲例, 它是距離我們一光年範圍內最大、質量最大、最明亮的星系之一。 它內部包含一個巨大的超大質量黑洞, 質量高達65億個太陽質量, 約爲銀河系最大黑洞質量的1500倍。 但它也包含數量龐大的恆星, 大約有1萬億顆, 恆星總質量估計約爲2.4萬億個太陽質量。 這個星系擁有我們附近最大的超大質量黑洞, 但其超大質量黑洞與恆星質量之比仍然只有區區0.27%。 如果中星超大質量黑洞和星系是同時形成並共同成長的, 我們應該預期這個比例會隨着時間的推移保持相對穩定, 隨着星系的不斷增長。 其超大質量黑洞也會隨之增長,兩者保持同步。 然而,許多人都樂於探討的一種可能性是, 宇宙早期並非同時形成了黑洞和恆星, 這兩個星系組成部分也並非共同成長。 相反,宇宙可能誕生時就存在一些遠處黑洞, 或者是在熾熱的大爆炸之後立即形成的黑洞, 然後這些黑洞充當了成和中心, 星系圍繞着它們形成併成長。 然而,在符合標準宇宙演化時的情景下, 還有另外兩種在宇宙中形成黑洞的方式, 它們完全不涉及遠處黑洞,即在大爆炸後不久形成的黑洞, 而僅僅依賴於傳統的宇宙物理學。 宇宙並非一開始就存在黑洞, 而是可能最初就存在正常的, 輕微的密度不均勻性, 微小的波動導致最初形成密度過高和密度過低的區域, 這些密度過高的區域會緩慢增長, 吸引越來越多的物質,直到發生以下兩種情況之一, 這些物質可以形成恆星,最終形成大質量恆星, 這些恆星會迅速燃燒完燃料並死亡, 其核心坍縮,形成質量爲幾十, 幾百甚至高達一千個太陽質量的種子黑洞, 或者寒冷的星際氣體流可以落入這些密度過高的區域並相互碰撞, 這可以像正常情況一樣形成恆星。 然而,另一種可能性是, 這可能導致一種稱爲直接坍縮的現象, 物質在足夠小的空間體積內變得足夠密集, 從而可以直接形成黑洞,產生一群質量更大的黑洞種子, 質量範圍在幾萬甚至幾十萬個太陽質量。 第一種情況肯定會發生,但第二種情況也可能發生, 而且與原初黑洞情景不同,它不需要任何新物理學來觸發。 雖然這看起來可能不是什麼大事, 但原初黑洞、恆星質量黑洞和通過直接坍縮形成的重種子之間的區別卻極其重要。 當我們觀測早期宇宙中的星系時, 我們看到的是宇宙在極其遙遠過去的景象, 超過宇宙歷史的90%之前。 即使在詹姆斯、韋伯太空望遠鏡時代之前, 我們就已經發現了一些星系, 它們擁有巨大的黑洞,質量可達11倍太陽質量, 而這些星系存在於宇宙年齡只有6.5億到8億年的時候, 僅相當於宇宙當前年齡的5%到6%。 現在,爲了讓黑洞在如此短的時間內長到如此之大, 它必須快速增長。 根據我們已知的物理學原理, 黑洞吞噬物質的速度存在一個上限——愛丁頓極限。 是的,超愛丁頓襲擊率是可能的, 但只能略微超過,而且不能持續很長時間。 如果我們從我們在早期宇宙中觀測到的黑洞 推斷到更早的宇宙時期, 我們會發現,如果我們回到我們預期第一批恆星形成 和第一批冷氣體流碰撞的時期, 我們看到的宇宙年齡只有5000萬到1.5億年。 我們可以由此推斷出所需黑洞種子的尺寸和質量。 事實證明,其中一種方案 援引標準天體物理學和恆星質量黑洞種子, 也稱爲氫種子,已被數據排除。 在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡時代, 情況變得更加複雜, 因爲最早的超大質量黑洞的記錄被不斷刷新, 時間也越來越早。 2023年7月,來自SIRS合作項目的JWST研究人員 報告發現了SIRS-1019星系, 其中包含一個質量爲900萬太陽質量的黑洞, 其年齡約爲5.7億年, 逾佔該星系恆星質量的1%。 幾個月後,又發現了一個名爲UHC-1的星系, 其年齡約爲4.7億年, 擁有一個相當大的黑洞, 質量在1000萬到1億太陽質量之間, 但其恆星質量含量也只有1000萬到1億太陽質量, 這意味着黑洞質量佔該星系恆星質量的10%到100%。 而正如2024年1月公佈的那樣, GN-Z11星系在大爆炸後僅4.2億至4.4億, 一年就包含了一個質量爲150萬至300萬太陽質量的超大質量黑洞, 儘管其恆星質量含量很大, 接近10億太陽質量, 而且它目前似乎正在經歷超愛丁頓襲擊。 換句話說, 我們觀察到的現象表明, 超大質量黑洞的起源可能混合了青種子和中種子, 但並不需要更早的、真正原始的黑洞。 質量爲1萬到10萬個太陽質量的黑洞種子足以解釋我們所觀察到的一切, 即使這些初始黑洞種子是在大爆炸後約1.5億年才形成的。 然而,對我們稱之爲超大質量黑洞的直接觀測, 例如UH-Z1, 以及最近Ruby's Women的發現, 徹底排除了青種子情景。 正如Fabio Puccucci領導的團隊在2017年預測的那樣, 如果從由冷氣體流碰撞驅動並通過直接探索機制形成的重黑洞種子開始, 我們預期會在早期發現超大質量黑洞,並且這應該是常態。 在早期低質量星系中, 黑洞質量與恆星質量之比約爲10到100%, 在後期質量更大、煙花程度更高的星系中, 該比例約爲1到10%, 在煙花程度更高的星系群體中, 該比例約爲0.1到1%, 然後下降到目前星系中更爲標準的約0.1%。 在對宇宙歷史前15億年中JWST觀測到的星系進行彙編後, 帕庫卡的團隊利用主要來自JWST的Ceres、JIS和GLAS觀測項目的星系, 精確地展示了這一預測的煙花趨勢。 儘管這些數值仍然存在不確定性, 但它們強烈表明存在重種子形成機制,如下圖所示。 那麼,關於圓出黑洞的理論又如何呢? 這個問題涉及兩個方面。 如果你想形成圓出黑洞, 你的宇宙必須在誕生時就存在巨大的密度過剩區域, 即密度比宇宙平均密度高出約68%的區域。 如果某個區域的密度超過這個值, 就可以證明它會迅速坍縮形成黑洞。 這是形成能夠持續存在至今的圓出黑洞的主要途徑。 不幸的是,有兩個原因使得這種理論極不受歡迎。 第一個原因來自於對宇宙的直接觀測。 這些觀測爲我們提供了一系列限制, 限制了在所有普通物質和暗物質總量中, 有多少物質可以以不同質量的圓出黑洞的形式存在。 對於低質量黑洞,質量低於典型大型小行星的質量, 在熱大爆炸初期形成的黑洞應該已經蒸發殆盡, 而缺乏這種蒸發輻射的證據排除了它們存在的可能性。 對於質量介於月球質量到赫矮星質量之間的天體, 對微引力透鏡事件的直接搜索排除了超過百分之幾的質量 以黑洞形式存在的可能性。 但對於質量更大的天體,從最低恆星質量開始向上, 缺乏引力波信號,缺乏襲擊信號 以及宇宙微波背景中缺乏相關特徵, 都強烈限制了這些大質量圓出黑洞的風度和存在。 如果我們想要創造質量足夠大的圓出黑洞, 使其能夠作爲我們晚期宇宙中觀測到的黑洞的種子, 那麼它們在形成之初的質量至少需要達到約100個太陽質量。 然而,這個質量一直恰好會擾亂宇宙微波背景輻射的漲落, 因此,創造這樣的圓出黑洞是一個極具挑戰性的設想。 但還有一個更重要的理由, 足以讓我們否定大量圓出黑洞存在的可能性。 要知道,在大爆炸之後, 要形成圓出黑洞,需要極高的初始密度過剩, 密度需要比平均密度高出約68%。 但我們已經從宇宙爆炸理論中瞭解了宇宙中密度過剩的譜, 其在大尺度上的振幅僅爲約0.003%, 而且隨着宇宙尺度的縮小,振幅還會下降。 產生如此大量圓出黑洞的唯一方法是進行精細調控的相變。 這種相變可能發生在以下時期, 爆炸結束時,點落尺度,質子和中子形成期間, 或者在之後某個尚未發現的相變過程中。 然而,這要求在某個特定的質量尺度上存在一個巨大的密度過剩峯值, 而在所有其他尺度上,密度過剩都保持在標準的約0.003%的水平。 這不僅是一個受到觀測高度限制的場景, 而且需要我們對理論進行極大的修改才能產生我們想要的圓出黑洞群體。 所以,歸根結底,我們觀測到的超大質量黑洞是否可能起源於在大爆炸早期階段產生的原始黑洞群體? 真正的答案是,這種設想既沒有得到數據的支持, 也沒有被數據否定,但目前也尚未被完全排除。 更高分辨率的宇宙微波背景輻射研究或許能夠對這種設想施加更強的限制, 但最有可能找到確鑿證據的方法是進一步探索宇宙的極限, 尋找宇宙早期包含黑洞的星系。 如果種種子假說是正確的,那麼這正是我們應該尋找證據的地方。 詹姆斯,微波太空望遠鏡或許能夠提供幫助, 但對其他波長進行深度觀測將是理想的選擇。 由於目前沒有NASA前德拉射線天文臺的後續項目正在推進, 而且前德拉天文臺正面臨着資金短缺的困境, 這使得目前的這項前景相當渺茫。 然而,事實上,我們並不需要原始黑洞來解釋我們所觀察到的現象。 由普通物質在很久之後直接坍縮形成的種種子, 可能足以產生我們後來發現的超大質量黑洞。 雖然我們在基於不完整數據得出結論時必須始終保持謹慎, 同時也要對所有尚未被排除的可能性保持開放態度, 但真正的答案是,原始黑洞完全沒有必要來解釋我們所觀察到的現象。 我們看到的黑洞極有可能是在宇宙歷史的後期, 而不是在大爆炸後不久形成的。 黑洞大概是宇宙中最神祕的事物之一。 它如同一個貪婪的胖子,體重巨大, 吞噬任何從它附近經過的東西,包括光線。 科學家認爲,恆星級質量的黑洞可能形成於大質量恆星在生命終點的爆發, 而小質量黑洞的碰撞併合, 以及更小質量黑洞吞噬氣體塵埃,會形成超大質量黑洞。 但你有沒有想過,當宇宙最初還是一片虛空時, 最早的那些黑洞從何而來? 這是科學家們思索了半個多世紀的問題。 他們一直困惑於,無法在宇宙初期形成數量足夠多的原初黑洞。 之前國際權威期刊《物理評論快報》上刊發的一篇文章重新審視了原初黑洞的物理起源。 該文指出,原初黑洞可能與宇宙暴漲時期的生素擾動息息相關。 那麼,原初黑洞到底從何而來? 生素擾動又能如何幫助它加快形成? 原初黑洞是什麼呢? 簡而言之,就是宇宙在早期由於局域空間的物質分佈過於密集, 導致物質直接坍塌所形成的黑洞。 它們的形成機制有別於通常情況下恆星坍縮形成的黑洞。 可以想象的是,彼時的宇宙與當前它幾乎空蕩蕩的狀態是截然不同的。 即早期宇宙的溫度極高,物質分佈也呈現出極爲稠密的等粒子體態。 原初黑洞就是在這個時期形成的。 打個通俗的比喻,這就像在一鍋濃稠滾燙的熱粥裏撒上了一把黑芝麻。 由於原初黑洞產生於宇宙原初時期,經過漫長的熱膨脹歷史演化, 它們中的許多可能已經通過霍金蒸發轉變爲輻射並消失殆盡。 不過,那些仍然殘留的原初黑洞爲我們認知宇宙提供了諸多重要的啓示。 例如,原初黑洞被公認爲是佔據了宇宙組分於四分之一的暗物質的有效候選者。 此外,恰好處於現在的宇宙中,而且正在發生霍金蒸發的原初黑洞, 可以爲伽馬射線報提供合理的物理解釋。 近期有一種新的學術觀點認爲, 自2015年以來引力波激光干涉天文臺所捕獲的若干黑洞引力波信號, 可能來自原初雙黑洞並核過程。 正因爲原初黑洞可以爲宇宙學和天文學實驗觀測提供豐富的科學目標, 天文學家們一直都在爲捕獲這些看不見的天脈來客做着不懈努力。 早在1960年代,蘇聯物理學家雅科夫、 澤爾多維奇和英國物理學家斯蒂芬·霍金分別指出了 在極早期宇宙中形成原初黑洞的理論可能性, 這在後來的宇宙學研究中被廣泛探討。 霍金指出,宇宙剛剛經歷大爆炸創生階段之後, 局部密集區域的物質可能由於自身引力作用發生坍縮, 從而形成原初黑洞,並在宇宙後續的漫長演化中不斷影響着宇宙的結構。 然而,這些局部密集的物質密度分佈從何而來呢? 爲了回答這一問題,人們將目光投向了宇宙學的另一個重要話題, 那就是宇宙在極早期經歷了怎樣的物理起源和動力學演化。 當前最主流的宇宙起源假說是美國宇宙學家阿蘭·古斯在上世紀80年代提出的暴漲學說。 他認爲宇宙誕生後迅速進入了一段接近於指數形式的加速膨脹階段, 這讓宇宙的空間尺度在大爆炸發生之後約10到32秒內發生了約1026倍的拉伸。 形象地說,這意味着在非常短的時間內, 一個氫原子直徑大小的空間距離被放大爲約一光年的尺度。 量子理論認爲,真空並不空,而是存在隨機的非常小的掌握, 它們很快發生又消失,而且掌握幅度非常小, 因此在一段時間內看來,它們並沒有意義。 這被稱作真空量子掌握。 在暴漲期間,宇宙中原本極爲微小的真空量子掌握同樣會被拉伸開, 並會在其波長超過某個由宇宙膨脹速度決定的尺度時,成爲真實的物質密度起伏。 宇宙膨脹速度越快,這個尺度越小。 由此理論機制所發展起來的宇宙學擾動理論預言了一個巧奪天工的宇宙微波背景輻射途徑。 1989年人類發射了第一枚宇宙微波背景輻射衛星——宇宙背景探測器, 它公佈的觀測數據支持了這一理論。 之後威爾金森微波各項異性探測器以及普朗克衛星的高精度實驗數據都驗證了這一點。 然而,在基於標準宇宙學模型所建立起來的擾動理論中, 原處黑洞的產生率是極爲低下的,通常不足以帶來令人期待的觀測效應。 另外,爆炸會稀釋掉在這期間所產生的任何過大擾動, 想要形成原處黑洞就必須讓一些大的擾動存活下來。 這位在宇宙學和天文學上探尋原處黑洞籠罩上的重重陰影。 爲了解決這個問題,提高原處黑洞的產生率, 中國科大的研究團隊提出了一種嶄新的原處黑洞產生機制。 他們指出,如果原處宇宙中存在已聲速傳播的物質密度擾動, 且形成周期性震盪,那麼原處密度將發生週期性疊加, 增加原處黑洞的產生機率。 這就好比當一個小孩站在鞦韆上做下蹲運動, 若下蹲運動頻率爲鞦韆擺盪頻率的偶數倍時,鞦韆擺動會隨之增大。 這種動力學機制可以在當前天文學觀測限制允許的範圍內十分有效地產生原處黑洞, 其質量分佈非常寬泛。 目前通過引力波等手段已經探測到了不同質量的黑洞, 但它們的質量分佈並不連續。 這是因爲受到探測手段的限制,還是因爲它們的質量分佈本就如此? 最新研究給出的答案是後者,而且黑洞不連續的質量分佈還會展現出某種規律, 這有待更多觀測的驗證。 研究分析還表明,這種原處黑洞形成機制還可以爲當前宇宙學觀測中一定比例的暗物質組分提供重要的理論解釋。 隨着天文學發展走進了多信室時代,原處黑洞的可檢驗性也變得愈發可靠。 關於宇宙如何在極早的原初時期孕育出原處黑洞,還有很多未解的謎團。 當前研究爲我們瞭解這類神祕的奇異黑洞提供了一個新的思路。 而隨着天文學觀測技術和實驗設備的迅速發展, 相信在不久的將來,我們有機會一窺原處黑洞這類宇宙極早期天體的奧祕。 中國建設的12米光學望遠鏡以及發射的詹姆斯、韋伯望遠鏡等先進設備,將能深入探索宇宙極早期的狀態, 有望在原處黑洞的搜尋方面取得突破。 而當前備受關注的引力波天文學將會爲分辨黑洞引力波源提供更爲詳細的信息, 對這些引力波信號是否來自原處黑洞予以辨認。