巨大黑洞形成之謎

玥　聲

黑洞是宇宙中最神秘的天體。上個(gè)世紀(jì)60年代，科學(xué)家從理論上提出，在星系的中心應(yīng)該存在超大型的黑洞，它們的質(zhì)量同太陽相比，要大幾百倍到數(shù)十億倍!可是，在美國的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡升空之前，人們并沒有直接觀測到巨大黑洞存在的天文數(shù)據(jù)。

自從1990年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡升空并開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，它在數(shù)個(gè)星系的中心都發(fā)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)的氣體，這讓科學(xué)家十分興奮，因?yàn)樗麄兊玫搅擞?jì)算天體質(zhì)量的“鑰匙”。天體在公轉(zhuǎn)的時(shí)候，都要滿足開普勒定律。根據(jù)開普勒定律，天體旋轉(zhuǎn)的速度與質(zhì)量的平方根成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方根成反比。因此，觀測天體的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)半徑，就能求出天體的質(zhì)量。利用開普勒定律，科學(xué)家計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，在星系中心高速運(yùn)動的氣體所圍繞的區(qū)域中，正是理論上所預(yù)言的超大型黑洞的藏身之處。

比如在M87星系中心直徑15光年內(nèi)的區(qū)域里，包含了太陽質(zhì)量30億倍的天體。在另一個(gè)星系的中心半徑300光年內(nèi)的區(qū)域里，包含著太陽質(zhì)量20億倍的天體。顯然，這些天體都屬于超大型黑洞。

最近的一個(gè)新發(fā)現(xiàn)更讓科學(xué)家激動不已。科學(xué)家利用由10臺射電天文望遠(yuǎn)鏡組成的列陣天文觀測，在距地球2.6億光年遠(yuǎn)的仙女座星系的中心，他們發(fā)現(xiàn)了黑洞吞噬物質(zhì)所產(chǎn)生的射電。追溯射電的源頭，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)源頭在以1.05光年為周期，以長軸在0.3光年左右的橢圓軌道繞著另一個(gè)天體旋轉(zhuǎn)。科學(xué)家可以根據(jù)軌道的周期和橢圓軌道的形狀來估算兩個(gè)天體的質(zhì)量。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)天體的質(zhì)量之和是太陽的100億倍!在直徑只有約1光年的狹窄空間中，存在這么大的質(zhì)量的天體，科學(xué)家只能認(rèn)為，這兩個(gè)天體都是黑洞。這是世界上首次發(fā)現(xiàn)兩個(gè)超大型黑洞像雙星那樣近距離共存。

科學(xué)家預(yù)計(jì)，這兩個(gè)黑洞將在1萬年后合并。地球繞太陽旋轉(zhuǎn)而沒有落入太陽里，是太陽的質(zhì)量還不夠大，地球的角動量能夠保持，因此可以持續(xù)公轉(zhuǎn)。但是，如果繞著如黑洞那樣大質(zhì)量的天體旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)天體之間的引力波十分強(qiáng)大，會導(dǎo)致兩個(gè)天體的角動量減少，于是兩個(gè)黑洞會逐漸地靠近，最終一個(gè)把另一個(gè)“吞食”掉。

那么，如此巨大質(zhì)量的黑洞是怎么形成的?太陽這樣的普通恒星可以通過星云凝集形成，可是超大型黑洞卻似乎無法從這種方式中誕生。科學(xué)家為它們的誕生之謎不斷地探尋著。

來自星暴星系?

超大型黑洞的形成需要龐大的質(zhì)量，因此它也許是由許多小黑洞聚集而成的。從這個(gè)思路考慮，一些科學(xué)家提出，超大型黑洞是由星暴星系產(chǎn)生的。

很久以來，天文觀測表明，在星系合并和相互作用的地方，經(jīng)常出現(xiàn)大的恒星形成星暴。最近人們認(rèn)為，即使兩個(gè)星系不舍并，靠得很近的星系之間的相互作用也能使星系旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣體如漏斗般向核心聚集，點(diǎn)燃了圍繞核心的星暴。所謂的星暴星系正是大量恒星正在快速誕生的星系。普通的星系比如銀河系也形成恒星，但是形成的速度很慢。而在星暴星系中，恒星的形成是非常劇烈的。

星暴星系以迅猛的速度產(chǎn)生新星，同時(shí)又以迅猛的勢頭引起超新星爆發(fā)。最終，產(chǎn)生了大量的太陽質(zhì)量級別的黑洞。這些黑洞再集合周圍氣體，變成質(zhì)量更大的黑洞。科學(xué)家推測，這些距離很近的黑洞有可能會互相合并，形成巨大的黑洞。

星暴星系有足夠的物質(zhì)來形成超大型黑洞。但是很可惜，根據(jù)目前的理論計(jì)算，這樣的黑洞合并方式太緩慢了，即使經(jīng)過100億年，黑洞聚集的氣體質(zhì)量也只占其自身質(zhì)量的百分之幾。

第三種黑洞的啟示

最近，在M82星系附近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆不大的恒星，在恒星的旁邊，有一個(gè)發(fā)射x射線的區(qū)域，經(jīng)過分析，這個(gè)區(qū)域應(yīng)該是一個(gè)黑洞，恒星其實(shí)是這個(gè)黑洞的伴星。

有了這顆伴星，天文學(xué)家可以很輕松地計(jì)算出這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量。這個(gè)黑洞比絕大多數(shù)星系中心的特大質(zhì)量的黑洞要輕得多，但是也比那些只有幾倍太陽質(zhì)量的黑洞要重，它是太陽質(zhì)量的500倍。它正是科學(xué)家尋找了很久的第三種“中間型”黑洞。

這個(gè)黑洞的伴星其實(shí)是一顆紅巨星，處于恒星生命的最后階段，自身在不斷膨脹，因此變得巨大。也正因?yàn)檫@個(gè)恒星有這樣的尺寸，才提供給黑洞足夠的“燃料”，使黑洞區(qū)域被照亮，讓研究者觀察到。

這第三種黑洞是如何形成的呢?天文學(xué)家猜測，M82里的這個(gè)黑洞是由一個(gè)巨星星簇形成的，在強(qiáng)大的引力下，大量恒星被壓縮到只有100光年直徑的區(qū)域里。從理論上講，整個(gè)星簇最終將坍縮，產(chǎn)生一個(gè)短命的巨恒星，巨恒星繼續(xù)坍縮，最終形成一個(gè)中型黑洞。科學(xué)家估計(jì)，通過這種方式形成的黑洞，它們的質(zhì)量應(yīng)該是我們的太陽質(zhì)量的幾百倍到上萬倍。

中間質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)，為理論上解釋巨大黑洞的形成提供了線索，人們可以提出合理的假說。

一位美國科學(xué)家提出，在宇宙誕生之初，大質(zhì)量天體可以直接坍縮，產(chǎn)生類似目前所發(fā)現(xiàn)的中間質(zhì)量黑洞的天體。在宇宙大爆炸后30萬年，光線已經(jīng)可以自由飛翔，如果那時(shí)有人觀測宇宙，就能一眼望到遙遠(yuǎn)的地方。在宇宙放眼后，此時(shí)誕生的黑洞一般為太陽質(zhì)量的10萬倍到100萬倍，而且基本上是在與星系無關(guān)的地方產(chǎn)生的。

如果這樣大小的黑洞與星系相遇，黑洞會逐漸藩入星系的中心。假如平均每年落入星系中心的物質(zhì)有一個(gè)太陽質(zhì)量的級別，那么1億年的時(shí)間，就可以積聚1億倍太陽質(zhì)量，這足以形成巨大的黑洞，也許這就是超大型黑洞的形成過程。

責(zé)任編輯蒲暉