证据来了!黑洞并非都由恒星坍缩产生,有些是直接坍缩的

简介:基于恒星坍缩理论,超大质量恒星生命结束时经历超新星爆炸,自我毁灭后产生一个超大质量黑洞,但这个过程耗时很长。天文学家发现一些古老的SMBH,需要通过超爱丁顿增长来解释其起源于直接坍缩,而非恒星残骸。

超大质量黑洞(简称SMBH)令人难以解释。一般认为,每一个庞大星系中心都会有这种庞大的奇点,我们的银河系也有一个,但它们因何存在却一直是个未解之谜。我们所知道的是,黑洞是在巨星坍缩时形成的。但该解释并不符合所有证据。

恒星坍缩理论的确很好的解释了大部分黑洞的存在。该理论显示,一颗至少重于太阳5倍的恒星在其生命的尽头开始释放能量。由于恒星核聚变的外部压力是它抵抗自身质量向内引力的反作用力,所以当燃料耗尽时,就会产生某种奇异物质。

这颗恒星会经历超新星爆炸,然后坍缩,最终只留下一个黑洞。天体物理学家认为,超大质量黑洞就这样开始形成,通过“吞食”其他物质而逐步发展壮大。

这幅艺术构图展示了超大质量黑洞的周围环境,这在许多星系中心都普遍存在。黑洞本身被一个非常热的吸积盘包围着,吸积盘内部物质不断下落,外部是一个尘土飞扬的环面。黑洞的两极也经常有高速喷射的物质,这些物质可以延伸到遥远的太空延。

图片来源:ESO/L。Calcada - ESO网站,CC BY 4.0,

科学家们已经观测到了宇宙中古老的超大质量黑洞。今年3月,一天文学家团队宣称发现了83颗非常古老的超大质量黑洞,这大大超出了我们的认知。2017年,天文学家发现了一个8亿太阳质量的黑洞,它在大爆炸后仅仅6.9亿年就完全形成了。它们是在宇宙早期形成的,那时还没有时间形成它们的超大质量形态。

其中许多超大质量黑洞的质量是太阳的数十亿倍。它们的红移如此之高,以至于它们一定是在大爆炸后的前8亿年形成的。但这并没有足够的时间来解释恒星坍缩模型。天体物理学家面临的问题是,这些黑洞是如何在这么短的时间内变得这么大的?

加拿大安大略省西部大学的两名研究人员认为他们已经找到了答案。他们提出了一个新理论---“直接坍缩”,可以解释这些令人难以置信的古老超大质量黑洞。

该论文发表在《天体物理学杂志》上,题为:超大质量黑洞在直接坍塌情形下的质量函数。作者是尚塔努·巴苏和阿潘·达斯。巴苏是恒星形成和原行星盘演化的早期阶段公认的专家。他也是西方大学的天文学教授。达斯也来自西方大学物理天文系

斯巴鲁望远镜拍摄的这张黑洞图片距离地球130.5亿光年。这些古老的SMBH们挑战了我们对黑洞形成的理解。图片来源:日本国家天文台(NAOJ)。

他们的理论认为,这些古老的大质量黑洞在几段时间内迅速形成,然后突然停止增大。他们创建了一个新的数学模型,来解释这些迅速形成的古老黑洞。他们说爱丁顿极限,即恒星向外的辐射力和向内的引力之间的平衡,起到了一定的作用。

在这些直接坍缩的黑洞中,爱丁顿极限控制着质量的增长,但是这些古老的黑洞甚至可以稍微超过这个极限,他们称之为“超爱丁顿吸积”。然后,由于其他恒星和黑洞产生的辐射,它们的生产停止了。

“超大质量黑洞只在很短的时间内能够快速增长,然后在某一时刻,由于宇宙中其他黑洞和恒星产生的所有辐射,它们的生产停止了,相当于直接崩溃。”巴苏在一个发布会上说到,“这是间接的观测证据,表明黑洞起源于直接坍缩,而不是恒星残骸。”

这一新理论为一段时间以来天文学中的一个棘手问题提供了一个有效的解释。巴苏相信,这些新发现可以用于未来的观测,来推断存在于宇宙早期的超大质量黑洞的形成历史。

作者: Evan Gough

FY: 涂小图

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