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    星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

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      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      ▲前言:

      夜幕降临时,站在远离城市的山峰上,凝视着头顶上方的深空,除了那一尊明月、若隐若现的群星、还有悬浮在黑暗虚空中的银河,还可以看到那来自宇宙边缘的明亮灯塔发出的光芒,那就是来自宇宙最初时期所形成的超级黑洞所演化而来的庞然大物——类星体。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      大约137亿年前,在一片虚无中,一个小到其体积无法被测量的点,在短到无法测量的时间里剧烈地膨胀,这就是我们存在的宇宙,包含着能够容纳我们的时间和空间。起初这里只有能量和射线,在随后的膨胀和逐渐的冷却中,能量逐渐凝结成了最初的物质——亚原子。

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      大约大爆炸后38万年,随着宇宙的继续冷却,原子开始聚集,形成了以氢为主的宇宙气体,几亿年后,在引力的作用下,这些氢原子逐渐聚集,最终在自身的重力下触发了最初的轻核聚变,产生了宇宙中第一批恒星。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      大爆炸后大约4亿年后,天空中开始逐渐布满了恒星,由于恒星总是成群出现,并聚集到了一起,从而形成了最初的星系,其中最古老的星系到现在已经有了130多亿年的生命历程。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      而令学者们惊讶的是,那些距离地球十分遥远的超级大物——类星体,也是在这个时期开始出现的。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体


      ▲正文:

      ●遥远的明灯

      类星体是一种拥有极大质量和能量的超巨型天体,是宇宙中最明亮的一类天体,即便隔着整个宇宙,也可以被清晰的观测到。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      类星体之所以如此的明亮,与驱动它们的超质量黑洞密切相干,当物质落入黑洞的时候,便会释放出大量的能量,这些能量将使类星体变得格外耀眼,并且那些最遥远也是最古老的类星体,它们的诞生方式也成为了近现代自然学者们所探索的谜题之一。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      根据有关推测,由于这些星体的可视距离是如此之远,因此其中的超质量黑洞的质量相当于十亿个太阳,2001年开始启动的斯隆数字巡天项目,于2017年12月所公布的我们已知的最古老且最遥远的类星体是在大爆炸后6.9亿年就已经形成了的,而根据传统的黑洞形成和成长理论,质量如此庞大的超级黑洞是无法在10亿年内形成并长到如此之大的。

      那么,这些庞然大物又是怎样诞生并且是怎样成长的呢?


      ●传统观点

      由于黑洞是一种引力强大的将时空扭曲到足以使光线都无法从中脱离,一般情况下使用普通的光学天文望远镜是无法直接观测到黑洞的,直到人们观测到物质落入类星体中的黑洞所发出的光,才最终确定黑洞确实存在,并进一步验证了爱因斯坦的广义相对论。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      对于黑洞的产生方式,传统理论认为,大多数黑洞都是起源于大质量恒星(大约相当于10个太阳的质量),在漫长的辐射力和引力的对抗中,随着核燃料逐渐消耗殆尽,在引力的作用下,该恒星发生了坍缩,在巨大的引力下触发了恒星的毁灭性超新星爆发,爆发后在其中心区域产生一个黑洞,这就是传统理论上黑洞的形成方式。

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      而传统观点认为,那些第一批的类星体当中的黑洞就是这样形成的,而那些形成这些黑洞的恒星是宇宙中的第一代恒星(星族III恒星),这些恒星通常是由宇宙大爆炸后约2亿年由最初的氢元素气体聚集坍缩而形成的,因此它们的质量会比宇宙后期所诞生的恒星质量大很多,并且在坍缩后所形成的黑洞会拥有几百的太阳质量。如果这些恒星形成于致密的星团之中,其毁灭后所产生的黑洞也有可能会合并,其质量会相当于几千个太阳。但是即便如此,其质量也远不足以在宇宙诞生最初的10亿年的时间里发展并最终能够产生那些古老而又庞大的类星体。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      还有一种理论认为,在宇宙的更早时期可能会出现原初黑洞,在被称之为宇宙暴胀的时空指数增长的时期,这些原初黑洞随着宇宙中微小密度涨落合并而来,然后伴随着宇宙的膨胀而增长,但是这些种子黑洞也只有10-100个太阳质量,同第一种理论存在相同的问题,即按照现有理论,这种黑洞也无法在有限的时间里发展并最终形成类星体。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体


      ●新的观点

      之所以学者们认为那些大质量恒星坍缩或者宇宙暴涨时期所形成黑洞无法在10亿年内发展成为类星体,是因为根据我们现有的物理学理论,黑洞吞噬物质这一过程存在一个最大速率,即爱丁顿吸积率。如果黑洞按照这个速率吞噬物质,其质量会成指数增长,大约每一千万年质量增长一倍。这就意味着一个10倍太阳质量的种子黑洞要想发展到十亿倍太阳质量,那就要花费十亿年的时间,并且从头到尾都需要以最大速率吞噬物质。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      但实际上,如果第一批恒星坍缩所形成的黑洞要想在十亿年内增长至足够大并能够形成类星体,那么其吞噬物质的速度就必须超过爱丁顿吸积率这一“阈值”,虽然从纯理论的角度来讲,在早期宇宙富含致密气体的条件下,是有可能的。只不过这种环境存在的概率极低,并且其不稳定性也决定了其存在时期会非常的短。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      此外,如果黑洞吞噬物质的速度超过了“阈值”,其产生的霍金辐射可能会阻碍气体进入黑洞,从而降低其质量增长速度。因此,除非学者们目前对爱丁顿吸积率和黑洞的进食过程理解存在误区,否则即便是极端少数情况会是这样,这种观点也无法解释所有早期类星体的形成原理。

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      就在该领域的发展面临坎坷的时候,一种新的观点逐渐出现在学者们的面前。即在早期宇宙,那些在自身引力下逐渐聚集并最终坍缩形成第一批恒星的原初气体盘,完全可以绕开这一过程,如果在恒星形成的过程中有什么因素干扰了这一过程,扰动了这个气体盘,物质就会快速地向盘中心聚集,直接在自身引力的作用下坍缩形成种子黑洞,其质量大概有一万至一百万个的太阳。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      比如说,随着气体盘温度的逐渐冷却,其中的原子氢会逐渐形成由两个原子氢所组成的分子氢,这时候会加快恒星的形成,但是如果临近星系的恒星所释放出的辐射照射在气体盘上,就会把分子氢从新的分裂成原子氢,从而阻碍了新恒星的形成,从而使得这个正在形成新恒星的巨大气体盘变得更加不稳定,加速了物质向中间的聚集,从而直接形成了一个大质量的黑洞,称之为直接坍缩黑洞(DCBH),这种情况通常发生在已近形成了星族III恒星的巨星母星系周围的卫星星系中。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      在进行了相关的模拟实验后,其结果都支持这种黑洞形成机制,并且这种种子黑洞从这种质量开始吞噬物质,就足以在有限的时间内形成那些遥远明亮的类星体的中心黑洞了,因此这一理论目前来看是可行的。


      观测证据

      但是,尽管这种观点在理论上可行,但要想进一步验证,就需要实际的观测证据来支持这一理论。由于这些直接坍缩黑洞种子很有可能形成于环绕母星系转动的卫星星系中,因此我们有可能在它们和母星系合并的时候探测到它们,并且这一合并过程在宇宙中也是普遍可以观测到的。在合并过程中,种子黑洞会有机会吞食大量气体物质从而迅速长大。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      与此同时,这个天体在短时间内会成为一类特殊类星体,其亮度将超过整个星系所有恒星之和,并且其质量也将会超过整个星系所有恒星之和,尽管一般情况下星系中的恒星总质量要远大于其中心黑洞质量越一千倍。这种天体被称之为肥胖黑洞星系(OBG),会发出具有极特殊光谱特征的电磁波,尤其是波长1-30微米的红外波段。

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      因此,学者们可以使用JWST的中红外仪器和近红外照相机来进行观测,并且传统理论中由坍缩恒星所形成的黑洞种子,很有可能因过于暗淡而不易被观测到,所以大大的减少了其它天体的干扰因素,如果JWST探测到了这些肥胖黑洞星系,将为直接坍缩黑洞理论提供有力证明。

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      此外,学者们还有其他方法来证明这一理论。在某些特殊情况下,和直接坍缩黑洞合并的母星系中也有一个中心黑洞,如果这两个黑洞发生碰撞并合并,便会释放出极为强大的引力波,也可以通过相关探测设备探测到,如激光干涉空间天线(LISA)等。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体


      新的探索

      现在学者们普遍认为,在早期宇宙中,无论是直接坍缩黑洞还是恒星黑洞以超爱丁顿吸积率吸积,都有可能发生,甚至两种情况同时在一个黑洞上发生。

      有关研究数据表明,一个星系中的中心黑洞会影响到该星系中恒星的形成,如当物质落入黑洞的时候,所释放出的辐射中的能量将会阻碍附近恒星的形成,同时黑洞南北两极会发出霍金辐射,可以影响到远离星系中心的外部区域,抑制那里恒星的形成。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      尽管学者们认为这些影响非常复杂,但他们仍旧不懈努力为了弄明白其中的细节,通过找到宇宙中最初的种子黑洞来了解黑洞与所在星系之间的演化关系。

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      随着人类文明的科学技术和认知水平不断的进步,这些新理论是更宏大的变革中的一部分,人们对黑洞的研究能力也在不断发展。新的研究设施也在不断被设计、建造和使用,例如,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)于2015年首次探测到两个黑洞的碰撞和融合所产生的引力波。

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      并且,事件视界望远镜(EHT)这一项目使用位于世界各地的多个射电望远镜来观测银河中心的超大质量黑洞,根据爱因斯坦广义相对论所预言的那样,在黑洞周围会出现一个环状的影子,即引力透镜效应。

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      此外,脉冲星计时阵列这一系列观测脉冲星的实验,该项目用来探测如中子星、黑洞等大天体相互碰撞所引起的时空涟漪。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      并且,JWST在不久的将来将会打开一个全新的窗口,来研究那些点亮宇宙的第一批黑洞。

      希望在不久的将来,人们将逐个揭开黑洞的许多秘密,甚至可能彻底改变对黑洞的认识,将人类对宇宙时空的认识提高到一个新的高度。

      星辰之夜·星海远方明亮的灯塔——类星体

      全文终


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      高考加油
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      头像我脑补的是仰望星空的猫猫

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