【原】超大質(zhì)量恒星造就超大質(zhì)量黑洞，1萬倍太陽質(zhì)量的恒星真的存在嗎

姿勢分子_ 2021-03-28

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2020年，一年一度的諾貝爾物理學獎正式公布，除了一半被羅杰·彭羅斯奪走之外，還有一半被萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲平分，這兩個人在發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*的過程中做出了巨大的貢獻。

現(xiàn)在我們知道，不僅僅是銀河系，宇宙中的大部分星系中心都有一個巨大的黑洞。這種超大質(zhì)量黑洞至少是太陽質(zhì)量的100萬倍，目前發(fā)現(xiàn)最大的甚至是太陽質(zhì)量的660億倍！

這樣的質(zhì)量的確恐怖，但對于科學家們來說，更加令人疑惑的，是這些黑洞的誕生。

誕生之謎

我們知道，普通的黑洞一般都是來自于大質(zhì)量恒星的坍縮。當一顆恒星進入到演化末期的時候，如果它的內(nèi)核質(zhì)量超過了太陽的3倍，那么就會在超新星爆發(fā)的過程中形成黑洞，因此這種黑洞又叫恒星級黑洞。

根據(jù)其形成原理我們可以確定，恒星級黑洞的質(zhì)量下限是太陽的3倍，其誕生之初的上限就是恒星核的理論上限，但這樣的黑洞也可以通過未來的吞噬或者與其他黑洞的碰撞成長到更大。

即便如此，它們也不會長得太大，畢竟周圍的物質(zhì)是有限的，遇上其他黑洞的概率更低。目前的定義指出，小于太陽質(zhì)量100倍的黑洞就叫做恒星級黑洞。當然也有超過100倍太陽質(zhì)量的黑洞，我們稱之為中等質(zhì)量黑洞。迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的中等質(zhì)量黑洞，也不足太陽質(zhì)量的150倍。

然而，超大質(zhì)量黑洞的形成就顯得非常詭異了，正如我們所說的那樣，它們至少都有太陽質(zhì)量的100萬倍。想通過吞噬天體或者是與其他黑洞并合，看起來有點太困難了。

這還不是最奇怪的，真正令科學家們詫異的是，即使是在宇宙的早期，就已經(jīng)出現(xiàn)了極其巨大的超大質(zhì)量黑洞。比如迄今為止已知最大的黑洞TON 618，質(zhì)量達到了太陽的660億倍。它位于距離我們104億光年的位置上。也就是說，早在104億年前，或者說是宇宙剛剛形成了34億年的時候，它就已經(jīng)具備如此巨大的質(zhì)量了！

我們很難相信它是從恒星級黑洞成長起來的，因為按照這個情況來算，它至少每年要吞噬差不多相當于20個太陽的物質(zhì)。考慮到宇宙黑暗時代沒有天體出現(xiàn)，這個吞噬速度甚至最少可以達到每年25個太陽質(zhì)量的物質(zhì)。還有今年年初我國天文學家發(fā)現(xiàn)的迄今為止最遠類星體J0313-1806，在宇宙只有6.7億年壽命時就已經(jīng)具有16億倍太陽質(zhì)量了。理論計算表明，即便以模型中允許的最快速度增長，它也需要在誕生時就具備10000倍太陽質(zhì)量。

而人類已知最重的恒星，也不過只有太陽質(zhì)量的260倍左右。那么，這些超大質(zhì)量黑洞到底是從哪里來的呢？

關于超大質(zhì)量黑洞的形成，科學家們提出過許多觀點來進行解釋。有趣的是，就在最近，有兩個相關的研究同時公布，提出了兩種不同的猜測。今天，咱們一起來介紹一下。

超大質(zhì)量恒星

3月10日的時候，我國臺灣天文學家陳科榮等人發(fā)表論文指出：他們認為宇宙中確實可能出現(xiàn)過超大質(zhì)量恒星。這種恒星遠比今天我們看到的還要更加巨大，其質(zhì)量不僅可以達到太陽的10000倍，甚至可能達到100000倍，他們給這種詭異的天體起了個綽號——腦星。

（圖片說明：腦星的超新星模型）

他隨后指出，根據(jù)他們的模型，當這種超大質(zhì)量恒星的質(zhì)量達到太陽的55000倍時，就會出現(xiàn)非常特殊的現(xiàn)象。

如果不足這個質(zhì)量，那么超大質(zhì)量恒星在進入演化末期時會由于內(nèi)部的引力十分強大，最終產(chǎn)生極其劇烈的核反應，釋放出驚人的能量，上演一場超新星爆發(fā)。

而如果恒星質(zhì)量超過這個臨界值，那么它的引力將會突破極限，以至于它們在進入到演化末期后會直接坍縮成一個黑洞，而不會出現(xiàn)超新星爆發(fā)。這是非常奇特的現(xiàn)象，它可以解釋那些超大質(zhì)量黑洞為何會有那么高的啟動質(zhì)量。

（圖片說明：研究人員模擬的超大質(zhì)量恒星爆發(fā)前的藝術圖）

不過，這些恒星如今已經(jīng)不復存在了，它們只存在于宇宙早期。陳科榮認為，這應該與早期宇宙幾乎只有氫和氦的狀態(tài)有關。但他認為，如果我們的觀測設備足夠強大，那么在最遙遠、也就是最古老的星系中，還是有機會觀測到這些超大質(zhì)量恒星的。

暗物質(zhì)

另一項關于超大質(zhì)量黑洞起源的解釋，來自于西班牙拉普拉塔國立大學的天文學家Carlos R. Argüelles和ICRANet。他們認為，這種宇宙怪獸的來源未必是我們已知的物質(zhì)，也可能是目前仍然是個謎的暗物質(zhì)。

今天，暗物質(zhì)占據(jù)了整個宇宙質(zhì)量的85%左右，遠比可見物質(zhì)要多得多。暗物質(zhì)幾乎不與可見物質(zhì)發(fā)生相互作用，唯一的聯(lián)系就是質(zhì)量與引力。

Argüelles等人也正是考慮到了這一點，認為暗物質(zhì)也可能會導致黑洞的產(chǎn)生。在宇宙早期，如果暗物質(zhì)的密度足夠大，那就有可能產(chǎn)生黑洞。如果是這樣的，那么超大質(zhì)量黑洞的形成就不需要超大質(zhì)量恒星以及它們的演化時間，而是可以在暗物質(zhì)的坍縮下直接形成。暗物質(zhì)不是恒星，因此不會受到恒星質(zhì)量上限的約束，也可能給超大質(zhì)量黑洞一個更高的啟動點。