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天文大發現 宇宙之初的巨大黑洞

文 / 《國家地理》雜誌中文網      2017-02-08

天文大發現 宇宙之初的巨大黑洞


天文學家發現了一個質量重達太陽120億倍的超大型黑洞。雖然這不是目前發現最大的黑洞,但這個黑洞相當年輕。這顆巨星在大爆炸後的8億7500萬年間就膨脹到如此龐大的體積,當時宇宙的年紀只有現在的6%。天文學家週三將報告發表於《自然》(Nature)期刊,這是個驚人的發現,因為過去巨大黑洞被認為成長相對緩慢,它靠吞噬氣體或不小心靠得太近的恆星成長。論文的主要作者、北京大學教授 吳學兵提出,「要怎麼在這麼短的時間內建造出這麼大的一個黑洞?」

發光巨獸

吳學兵和他的同事沒有直接看見這個黑洞,因為黑洞的定義就是它擁有強大的引力,沒有任何東西,包括光,能逃離黑洞。吳學兵的團隊用中國、夏威夷、美國亞利桑那和智利的望遠鏡發現了一顆類星體,類星體擁有巨大的能量,隨著周圍物質被吸入中心的黑洞,會產生溫度極高而明亮的氣體。

未參與研究的哈佛大學天文系主任艾夫 • 里歐布(Avi Loeb)說:「就光度(luminosity)而言,這是我們至今發現的最大怪物,」他說這顆類星體的亮度等於整個銀河系亮度的4萬倍。所有大星系(包括銀河系)的核心都有數個巨大黑洞,但不是所有的黑洞都被超高溫氣體包圍;被超高溫氣體包圍的就稱為類星體,正如最近發現的SDSS J010013.021280225.8。

像所有類星體一樣,新發現的這顆看起來就像一般的恆星。即使用最高倍率的望遠鏡觀察,它也只是一個小光點。天文學家們詳細分析這個光點之後,才得知它遠離地球的速度有多快,也因此得知它離地球有多遠(在不斷擴張的宇宙中,距離最遠的物體以最快的速度飛離彼此。)這也透露了這個類星體與地球的距離有多遠:大約是120億光年。

這顆類星體驚人的亮度讓天文學家知道使氣體加溫的能量有多大,藉此又可得知它裡面的黑洞有多麼巨大。吳學兵說,「我們也看過和這顆類星體同一時期的其他類星體,但是它們的質量都不超過太陽的30億倍。」

如何建造黑洞

理論家認為,體積相對普通的類星體可能在大爆炸1億年後形成,當時,宇宙的第一批恆星消耗完核燃料並且塌縮形成黑洞。第一批恆星可能本身也都是巨星,質量重達太陽的一百倍。里歐布說,同時,「星系的密度最高比現在高一千倍,」因此,星系緊密的核心能提供很多氣體供黑洞吸食、膨脹。

但上述假設不適用在這個新發現的黑洞上:因為它太大了。德國馬克斯.卜蘭克天文研究所(Max Planck Institute for Astronomy)的布萊姆•維內曼斯(Bram Venemans)在同步發表於《自然》期刊的評論中寫道:「它形成後的大部分時間,一定都在以接近最大速率增加氣體。」但這個想法被認為不太可信,因為極亮的類星體射出的光往往會驅散附近的氣體,否則這些氣體就會被吞噬。

另一個想法是有兩個或兩個以上的星系很早就融合在一起,它們的黑洞也合而為一。不過,這只有在兩個黑洞的質量相當的情況下才行得通。里歐布說,否則質量不平衡會把新生的單一黑洞丟去一邊。他提出另一個想法:第一批恆星中某些恆星的質量可能不止是太陽的一百倍或一千倍,而是太陽的一百萬倍。他說,「沒有什麼根本的極限會限制恆星能夠到達的最大質量。」

里歐布解釋,宇宙初期只要有幾顆這樣的恆星形成,然後塌縮,「它們就可能啟動了超大黑洞的形成。」 再加上黑洞吞噬氣體的速度可能比理論家長期以來認為的更快,這樣一來,像新發現的這個黑洞這種物體的存在也許就沒那麼令人意外了。這個情境唯一的問題是天文學家無法確定是否曾經有相當於太陽質量一百萬倍的恆星存在。里歐布坦言:「我們從沒看過那種恆星。但是有了詹姆斯 • 韋伯太空望遠鏡(the James Webb Space Telescope)以後就有可能發現了。」 詹姆斯 • 韋伯太空望遠鏡預計在2018年進入軌道。

撰文:Michael D. Lemonick,National Geographic(關注Michael D. Lemonick的Twitter

編譯:陳潔

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