pi 70亿光年外传来超级大爆炸，8颗太阳质量瞬间消失，细节令科学家困惑( 二 )
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此图展示致密天体白矮星、中子星和黑洞的质量范围及大致分类，单位采用太阳质量，即 2X10^ 30千克丨图源：NASA很显然在上图中，从几百到几十万倍太阳质量之间有一个很大的中等黑洞质量区间，难道这一质量范围内的黑洞不存在吗？非也。实际上，目前已有不少间接的观测证据暗示着中等质量黑洞的存在。在理论上，大种子黑洞支持者认为，由于黑洞的质量生长有速度极限，宇宙学结果认为宇宙早期就应该有很多超大质量黑洞，它们应该是由大种子黑洞成长而成的。这些大种子就包含中等质量黑洞。但这种假说还没有相对直接的观测证据。
至于中等质量黑洞是如何起源的，天文学家认为可能是宇宙早期超新星爆发或气体云的坍缩形成。此时恒星的重元素大都集中在其核心，最后会出现更强大的爆发。而后来形成的恒星，重元素就在其表面，在演化中最终可能被星风吹走，导致不易形成大质量的黑洞。如果这种假设成立，最初形成的中等质量黑洞还应该一直存在，可是我们还未发现它们。
除此之外，中等质量黑洞有可能在球状星团的中央区域形成，也有可能在矮球星系中心存在。理论上，天体物理学家提出中等质量黑洞可能由超大质量恒星动力塌缩而成，还可能因磁化超大质量恒星的广义相对论磁流体径向脉动失稳塌缩而成，后者形成的黑洞具有极为宽广的质量范围，同时包括中等质量黑洞和恒星级质量黑洞。
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所谓的恒星级质量黑洞的质量范围一般在几倍到上百倍太阳质量（这些界定时有浮动），天文学家设想它们正是由大质量恒星自然演化引力塌缩而形成的。此前通过引力波探测到的十几个双黑洞都属于这一类型。事实上在被引力波实验宣称探测到之前，几十个太阳质量的黑洞并未受到足够的重视和强调，它们的天体物理成因也并未被深入探究。基于几年来的引力波事件观测，现在天文学家则经验上认为它们应当遍布在各个星系之内，也可能游荡于宇宙空间。
在很长时间内，超大质量黑洞的传统质量范围一直在百万到几十亿倍太阳质量之间。依据几十年的观测，天文学家推断每个星系（包括椭圆星系、盘状的漩涡星系以及矮星系）中心都存在着这类黑洞，比如我们银河系中心存在约410万倍太阳质量的黑洞，这只是超大质量黑洞中的小字号；而首次拥有“靓照”的M87星系中心的黑洞约有65亿倍太阳质量，算超大质量黑洞中的大块头。
超大质量黑洞的形成直接关系到星系形成和宇宙演化，而它们的诞生和演化则是个开放性的重要前沿问题。黑洞周边物质吸积盘的存在，及其与黑洞相互作用而产生的各类高能活动有助于黑洞探测和估算黑洞参数。然而一个黑洞从其周边吸积盘获取质量的吸积率远远不够高，所以一个超大质量黑洞的主体质量绝大部分从何而来，是天体物理学和宇宙学中一个不可回避的核心问题。特别是在早期宇宙中，宇宙大爆炸后10亿年间超大质量黑洞乃至绝超质量黑洞的存在，从时间上使得这些黑洞快速形成的问题极为尖锐。
一种假设认为质量较大的黑洞先由多个相对较小质量的种子黑洞并合，依据这个图像推演，若要形成超大质量黑洞和绝超质量黑洞，则必须有非常频繁且持续不断的各种质量黑洞并合。如此会导致的一个不可避免的结果——宇宙时空中应当存在随机的引力波涟漪背景。天文学家希望通过这些引力波辐射对多个毫秒射电脉冲星所发出周期信号的微弱影响（即所谓的脉冲星计时阵列，Pulsar timing arrays，简称“PTA”），来测定它们的存在。国际上有若干个PTA项目试图探测这个背景，但到目前为止均未成功。就探索方案而言，这里涉及的模型、假设、分析方案和技术路线等都存在相当的不确定性。因此以长期持续不断的黑洞并合来形成超大质量黑洞，甚至绝超质量黑洞的物理图像仅仅是一个假说。
还有别的办法来形成超大质量黑洞和绝超质量黑洞吗？实际上，大质量黑洞完全可以在巨大物质库中通过引力塌缩直接形成其主体部分，然后再在长时间内吞噬吸积物质逐渐演化。特别是在早期宇宙中，已经发现存在超大质量黑洞和绝超质量黑洞的存在证据，这预示着宇宙大爆炸后约10亿年间，逐渐冷却的宇宙已经分布着大大小小的物质库。詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）计划于2021年发射升空，它有强大的红外波段探测能力。若发射运行顺利，期待JWST能在早期宇宙中发现更多的超大质量黑洞和绝超质量黑洞。
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