大爆炸后超大质量黑洞是如何变得如此之大如此之快？ | {$randkws}热点解读 艺术家对超大品质黑洞的渲染

艺术家对超大品质黑洞的渲染。(图片鸣谢:uux.cn/马克·加尔利克/科学图片库/盖蒂图片社)
（神秘的地球uux.cn）网美国太空网（罗伯特·李）：：科学家们如今明白，超大品质黑洞潜伏在大多数(假如不是整体)星系的中心。这些宇宙巨人的品质是太阳的数百万乃至数十亿倍，但是当超大品质黑洞出如今局部宇宙中，从而出如今宇宙历史中时，消费维权观察巨大的体积并不构成难题。
但是，超大品质黑洞变成一个难题，当它们在早期宇宙中被察觉时，它们已然有相当于几十亿个太阳的品质。这是由于一定有某种机制允许超大品质黑洞高效聚集品质并增长到如此巨大的尺寸，但是所有现有的增长机制都表明这一过程进展太慢，像这样的物体在大爆炸后就不存在了。
“在过去的二十年里，天文学家察觉了超大品质黑洞，其品质与本地宇宙一样，所以是更近的宇宙——几十亿个太阳品质——大约在130亿年前，大爆炸后不到10亿年，”Maynooth大学的青岛公益行动消息皇家民间大学探究员约翰·里根告诉Space.com。
里根用一个有点令人不安的类比刻画了这个难题。“这就像目睹一个家人走在街上，他们有两个六英尺高的青少年，但他们也有一个六英尺高的蹒跚学步的子女。这就有点难题了，这个蹒跚学步的子女是怎么长得这么高的？宇宙中的超大品质黑洞也是如此。它们是如何这么快变得如此巨大的？”
本年，当詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)察觉了最遥远和最初的超大品质黑洞时，这个难题变得更为繁琐。这个黑洞位于CEERS 1019星系的中心，品质是太阳的900万倍，这使得它针对超大品质黑洞来说相对较小。
但是，即使在这种规模下，大爆炸后仅5.7亿年就存在的黑洞对黑洞增长理论提出了考验。这个900万太阳品质的黑洞并不孤单。揭示这个超大品质黑洞的同一个观测促销，宇宙演化早期释放科学(CEERS)调研，也察觉了另外两个超大品质黑洞，如果失去重要的人，请记住情感语录它们分别存在于大爆炸后的10亿年和11亿年。
加拿大西安大略大学教授Shantanu Basu告诉Space.com说:“随着每一个新的察觉，我们现有想法的约束变得更强。”“当大爆炸后8亿年察觉超大品质黑洞时，我们很忧虑。CEERS极大地增多了考验。”
这表明超大品质黑洞在宇宙的相对婴儿期是普遍的，而不是一些宇宙少见的东西，所以给寻找阐释它们如何到达那里的机制带来了更大的压力。
黑洞是如何控制自己的饮食的？
除去宇宙大爆炸后遗留下来的原始黑洞，黑洞的三个首要类别是恒星品质黑洞，其品质是太阳的5至100倍，中等品质黑洞的品质是太阳的100至10，000倍，以及上述品质的超大品质黑洞。
当最大品质的恒星(相当于30到130个太阳品质)耗尽核聚变燃料，无法再抵抗自身重力时，就会形成恒星品质黑洞。当这些恒星的网友檀健次动态外层在巨大的超新星爆炸中被吹走时，核心坍塌形成了恒星品质的黑洞——空间区域的中心有一个无限密度的点，称为奇点，外部边界称为事情视界，重力如此之大，乃至连光都无法逃离它。
超大品质黑洞必须以各异于恒星品质黑洞的方式形成，由于一颗恒星不或许大到足以拥有初始品质来摆脱品质，由于它经由像超新星这样的事情演变，伴随着恒星的引力坍缩，但依然留下一个足够大的核心，变成超大品质黑洞。
多年来，天文学家一直觉得超大品质黑洞可以从比它小得多的“种子黑洞”着手它们的生命。先是以物质为食，然后在它们所在的星系碰撞时与其他黑洞合并，这也为这些萌芽的超大品质黑洞提供了气体和尘埃。
当这些宇宙种子察觉自己被众多物质包围并贪婪地享用这些物质以高效成熟为超大品质黑洞时，恒星品质黑洞种子的增长或许会发生。

宇宙的时间线。在宇宙大爆炸数十亿年后察觉超大品质黑洞是意料之中的，但在第一批恒星形成时察觉它们更令人惊讶。(图片来源:uux.cn/欧空局)
但是，这个过程应该被称为爱丁顿极限的东西所阻碍。正进食的黑洞的光度或亮度与它们聚集品质的速度成正比。黑洞消耗物质越快，增长越快，增长越快，周围生态喷出的电磁辐射就越多。但是，假如黑洞周围以射流形式发出的电磁辐射足够强烈，它就会以物理方式将物质推开。这意味着黑洞“吃”得越快，它的食物供应就越有或许被中断和推开，从而停止增长。
艾丁顿极限意味着黑洞需要数十亿年才能吸积足够的物质达到超大品质黑洞的状态。里根是一个探究小组的成员，该小组探究了一种名为“超级爱丁顿吸积”的东西，这可以阐释早期宇宙中超大品质黑洞的高效增长。他阐释说，这不会有什么尤其的，只是正常黑洞进食的一个更高效的版次
这将导致进料的高效“发作”,物料被喷嘴推开，停止进料，从而切断喷嘴。这使得物质落回黑洞，从而引发另一轮疯狂的盛宴。但是，里根和他的同仁察觉这种阐释并不令人满意。
“假如你把这个喂食周期平均一段时间，它实际上比爱丁顿率要低，”里甘说。“一两个周期或许没难题，但总的来说，随着时间的推移，这不是很好，由于它不会持续下去。所以我们没有察觉这不是一个真正阐释超大品质黑洞增长的伟大机制。”
黑洞能走捷径获得超大品质状态吗？
Regan说，另一种或许有助于阐释超大品质黑洞的高效增长的想法是，它们从中增长的种子黑洞是巨大的。
“我们有轻种子和重种子，所以超大品质黑洞或许在100个太阳品质时诞生，并一直进展到超大品质黑洞，或者它们或许从比太阳大10万个品质着手，并从那里进展，”里根说。“假如它们想要成熟，一个小黑洞必须格外幸运，察觉自己处于一个周围有很多很多气体的稠密生态中。但这不太或许。
“它比一个小黑洞更有或许在没有气体的生态中找到自己。所以那些小黑洞种子不太或许生长。”
巨大的黑洞种子仍将不得不进入这些密集的生态，但至少它们会领先于较小的种子。回到六英尺婴儿的类比，里根阐释说，假如这个子女出生时有普通婴儿的长度，那么这个子女的成熟就更难阐释了。但是，假如这个婴儿出生的时候已然有三英尺长了，那么他变成六英尺高的蹒跚学步的子女就不难阐释了。

一幅插图显示了一个正进食的超大品质黑洞。这些物体的早期例子是如何在大爆炸后这么快就变得如此巨大的？(图片鸣谢:uux.cn/NRAO/AUI/美国全国科学基金会，s .达格内洛)
对此开展探究的难题是，与蹒跚学步的子女各异，黑洞除了它们的品质、角动量(自旋)和电荷之外，缺乏任何特征。科学家称之为“无毛定理”，这意味着黑洞看似简易，并不携带有关其历史或进化的信息。
“假如你在你的花园里察觉了一个黑洞，你不能经由观察它来知晓它，不得知它是昨日、一分钟前还是十亿年前到达那里的。它没有历史，没有指纹，”他持续说道。“所以当我们观察今日或130亿年前的黑洞时，我们不得知它的年龄，所以我们不得知它能够增长多久。”
Basu补充说，观察早期宇宙中黑洞膨胀的喂养过程是不或许的，由于它离我们如此遥远，但测试超大品质黑洞喂养在前方或许是或许的。“早期宇宙中假设的超大品质恒星会相当明亮，亮度或许是我们太阳的100亿倍。假如这些天体在宇宙大爆炸后的几亿年后还存在，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)或欧几里德望远镜就有或许探测到它们。”
尽管存在这些难题，Regan相信，经由探究早期宇宙中的黑洞和潜在的重种子，科学家将不久能够兴办一个超大品质黑洞增长图。他尤其强调了激光干涉仪天基天线(LISA)的发射，这是一种天基引力波探测器，将合作科学家更好地限制早期宇宙中黑洞的人口统计资料。
“我觉得我们在过去10年获得了巨大的提升。巨大的。在前方十年，我们也将持续获得巨大进展。，”里根说。“从这些人口统计资料中推断出来，将让我们相当相当好地处理遥远宇宙中发生的合并数量，这些合并关乎的黑洞正好在我们需要的品质范围内，品质约为太阳的10万倍。
“我觉得我们很有或许在前方5到10年内解决这个难题。”