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天文学家找到了早期宇宙中直接形成超大质量黑洞的证据

超大质量黑洞(SMBH)很难解释。这些庞大的奇点被认为是每个大星系的中心(我们的银河系有一个),但它们的存在有时会无法解释。据我们所知,当巨星坍缩时会形成黑洞。

超大质量黑洞(SMBH)很难解释。这些庞大的奇点被认为是每个大星系的中心(我们的银河系有一个),但它们的存在有时会无法解释。据我们所知,当巨星坍缩时会形成黑洞。但这种解释并不能符合所有情况。

恒星坍缩理论很好地解释了大多数黑洞。在那个理论中,一颗比我们的太阳质量至少高五倍的恒星在其生命即将结束时开始耗尽燃料。由于恒星核聚变的向外压力是支持它抵抗来自其自身质量的向内引力的,因此当燃料耗尽时必然会抛射一些物质。

一颗恒星经历了一次超新星爆炸,然后坍塌成一个黑洞。天体物理学家认为超大质量黑洞以这种方式开始,并通过不断捕获其他物质而成长为巨大尺寸的黑洞。黑洞质量的不断增加,过程就像蜘蛛捕获猎物一样。

这种解释的问题是它需要很长时间才能形成。

科学家的假想图显示了超大质量黑洞的周围环境,这是许多星系中心的典型黑洞。黑洞本身周围是一块非常热的吸积盘,而且还有一个尘土飞扬的圆环。在黑洞的极点上也经常会有高速喷射的物质流,它们可以向太空延伸很长的距离。

在宇宙中,科学家观察到了很多古老的超大质量黑洞。今年3月,一群天文学家宣布发现了83个如此古老的黑洞,很多我们无法理解。2017年,天文学家发现了一个8亿太阳质量的黑洞,这个黑洞在大爆炸后仅6.9亿年完全形成。它们只有在宇宙的早期出现,然后才有时间成长为超大质量的形态。

其中许多超大质量黑洞的质量是太阳的数十亿倍。它们会产生如此大的红移,它们必定是在大爆炸后的前8亿年形成的。但这还不足以让恒星崩溃模型解释它们。天体物理学家面临的问题是,这些黑洞在如此短的时间内如何变得如此之大?

加拿大安大略省西部大学的一对研究人员认为他们已经弄明白了。他们有一种叫做“直接崩溃”的新理论,解释了这些令人难以置信的古老超大质量黑洞。

他们的论文标题为“直接崩溃情景中超大质量黑洞的质量函数”,并发表在“天体物理学杂志快报”上。作者是Shantanu Basu和Arpan Das。巴苏是恒星形成和原行星盘演化早期阶段公认的专家。他也是西方大学的天文学教授。Das也来自Western的物理和天文系。

斯巴鲁望远镜图像中的超大质量黑洞距地球130亿光年。这些古老的超大质量黑洞挑战了我们对黑洞如何形成的理解。

他们的直接坍塌理论认为,古老的超大质量黑洞在很短的时间内形成得非常迅速。突然,他们停止了成长。他们开发了一种新的数学模型来解释这些快速形成的古老黑洞。他们说,爱丁顿极限是一颗恒星向外辐射力与内向引力之间的平衡,起到了作用。

在这些直接坍塌的黑洞中,爱丁顿极限调节了质量增长,研究人员说,这些古老的黑洞甚至可以超过这个极限,他们称之为超级爱丁顿吸积。然后,由于其他恒星和黑洞产生的辐射,它们的生产停止了。

“超大质量黑洞只能在很短的时间内快速生长,然后在某些时候,由于其他黑洞和恒星产生的宇宙中的所有辐射,它们的生长停止了,”巴苏解释道。“这是直接崩溃的情况。”

“这是间接的观察证据,证明黑洞起源于直接坍塌,而不是来自恒星残骸,”巴苏说。

这一新理论为一段时间以来天文学中棘手的问题提供了有效的解释。巴苏认为,这些新结果可以用于未来的观测,以推断出我们宇宙中很早出现的超大质量黑洞的形成历史。

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