根据经典理论，超大质量黑洞并没有足够时间在年轻的宇宙中发展。然而，观测结果表明它们在大爆炸后8亿年时就已经存在。SISSA的一项新研究对这个有趣的问题提出了新的解释
新浪科技讯 北京时间4月8日消息，据国外媒体报道，超大质量黑洞的规模是太阳的数十亿倍，而最近的一项研究指出，超大质量黑洞在宇宙“仅仅”8亿年时就已经存在，而宇宙的年龄已经140亿年，这怎么可能呢？在天体物理学家看来，在如此短的时间内形成这些宇宙“怪物”确实是伤脑筋的难题。毫无疑问，我们当前对这些天体的了解还十分有限。
一篇新论文为这一棘手的问题提供了一个可能的解释。这项研究利用一个初始模型，提出了在超大质量黑洞发展的初始阶段存在一个非常快的形成过程，此前科学家认为这一过程相对较慢。因此，研究结果就从数学上证明了超大质量黑洞在年轻宇宙中存在的可能性，调和了其发展所需的时间和宇宙年龄的限制。或许在不远的未来，该理论可以通过爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope，简称ET）和激光干涉空间天线（LISA）等引力波探测器的观测得到证实，在某些基本方面也可以由目前的“先进激光干涉引力波天文台/室女座干涉仪”（Advanced LIGO/Virgo）系统进行验证。
在星系中心成长的宇宙怪物
研究人员的分析开始于一个广为人知的观测证据：超大质量黑洞的成长发生在星系的中心区域。在今天椭圆星系的前身内部，有着非常高的气体含量，恒星的形成非常剧烈。最大的恒星寿命很短，很快就会演化成恒星黑洞，其质量相当于几十个太阳；它们很小，但在这些星系中形成了许多，环绕这些黑洞的稠密气体具有非常强大的动摩擦效应，起着决定性的作用，导致它们迅速迁移到星系中心。大多数到达中心区域的黑洞会合并，产生超大质量黑洞的“种子”。
根据经典理论，一个超大质量黑洞成长于星系中心，它不断捕获周围物质，主要是气体，使其不断“增长”，最后以与质量成比例的节奏将其吞噬。因此，在发展的最初阶段，当黑洞的质量较小时，它的增长是非常缓慢的。根据计算，要达到已观测到的太阳质量的数十亿倍，需要很长的时间，甚至比年轻宇宙本身的年龄还要大。然而，这项新研究的结果表明，超大质量黑洞的成长过程可能会比之前认为的快得多。
黑洞的疯狂“冲刺”
值计算表明，恒星黑洞的动态迁移和融合过程可以使超大质量黑洞的种子在5000万至1亿年内达到太阳质量的1万至10万倍，从这点出发，中央黑洞的成长将按照标准理论设想的那样直接吸积气体，从而变得非常快速，因为其成功吸引并吸收的气体数量将会非常巨大，并在所提出的过程中占据支配地位。然而，正如我们的机制所设想的那样，正是从这样一颗巨大的“种子”开始，加速了超大质量黑洞的成长，并使其在年轻的宇宙中得以形成。简而言之，根据这个理论，我们可以说，在大爆炸后8亿年时，超大质量黑洞可能已经遍布宇宙。
观测超大质量黑洞的“种子”
这篇论文除了说明模型并证明其有效性，还提出了一种测试的方法。研究人员解释道：“无数恒星黑洞与星系中心超大质量黑洞种子之间的融合会产生引力波，我们期望利用当前和未来的探测器对其进行观测和了解。”研究人员尤其关注星系中心的黑洞种子还很小的时候，即超大质量黑洞在初始阶段发出的引力波。当前的探测器如先进LIGO/Virgo系统或许将识别这些引力波，并由未来的爱因斯坦望远镜进行完全描述。未来的LISA探测器将于2034年前后发射到太空，这将有助于研究超大质量黑洞的后续发展阶段，通过这些观测，“我们提出的过程可以在不同的阶段，以一种互补的方式，被未来的引力波探测器验证。”
这项研究展示了研究人员如何一步步接近引力波和多信使天文学的新前沿。特别是主要目标将是开发理论模型，就像在这个案例中设计的那样，利用来自当前和未来引力波实验的信息，有望为天体物理学、宇宙学和基础物理学中尚未解决的问题提供解决方案。（任天）
内容来源：环球科学
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