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质量|美媒文章：超大黑洞从早期宇宙走来

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参考消息网7月7日报道据美国《科学日报》网站6月16日发表题为《超大质量黑洞是如何起源的？》的文章称 ， 超大黑洞从早期宇宙走来 。 全文摘编如下：
超大质量黑洞是质量为太阳数百万倍至数十亿倍的黑洞 。 银河系中就存在一个质量为太阳数百万倍的超大质量黑洞 。
【质量|美媒文章：超大黑洞从早期宇宙走来】令人意外的是 ， 天体物理观测显示 ， 在宇宙极其年轻的时候 ， 超大质量黑洞就已存在 。 例如 ， 在宇宙仅有目前年龄（137亿年）6%的时候 ， 就存在着10亿个质量相当于太阳的黑洞 。 早期宇宙中的这些超大质量黑洞是如何产生的？
种子黑洞快速成长
美国加利福尼亚大学里弗赛德分校一位理论物理学家领导的研究团队提出了一种解释：可能由暗物质晕坍缩产生了大质量种子黑洞 。
暗物质晕是指围绕在星系或星系团周围的不可见物质形成的晕圈 。 尽管暗物质从未在实验室中探测到 ， 但物理学家仍然相信这种神秘物质确实存在 ， 构成了宇宙内容物的85% 。 倘若某个星系的可见物质没有被牢牢嵌在暗物质晕当中 ， 就会灰飞烟灭 。
这项研究发表在美国《天体物理学杂志通讯》上 ， 由加利福尼亚大学里弗赛德分校物理学和天文学副教授于海波领导 。 他说：“早期宇宙中的超大质量黑洞位于暗物质晕的中心区域 ， 物理学家对于它们为什么在短时间内生长到质量如此巨大感到困惑 。 这就像一个5岁的孩子体重却有200磅（约合90千克） 。 这样的孩子会让我们所有人吃惊 ， 因为我们知道新生儿的一般体重以及婴儿能以多快速度成长 。 就黑洞而言 ， 物理学家对种子黑洞的质量及其生长速度也有普遍预期 。 但超大质量黑洞的存在表明 ， 这种普遍预期已经被打破 ， 需要有新的知识 。 这令人兴奋 。 ”
种子黑洞是处于初始阶段的黑洞 ， 类似于人类生命中的婴儿阶段 。
于海波补充说：“我们可以想到两个原因 。 种子黑洞 ， 或者说‘婴儿’黑洞 ， 要么质量大得多 ， 要么生长得比我们的想象快很多 ， 或者兼而有之 。 随之而来的问题是 ， 是什么样的物理机制导致种子黑洞生成足够大的质量 ， 或是实现足够快的增长速度？”
论文共同作者、美国芝加哥大学卡弗里宇宙学物理研究所博士后研究员钟益鸣说：“黑洞要通过吸积周围的物质来生出巨大质量 ， 这需要时间 。 我们的论文证明 ， 如果暗物质存在自身交互 ， 那么暗物质晕的坍缩可能导致一个质量足够大的种子黑洞 ， 这种黑洞的生长速度也会更符合普遍预期 。 ”
暗物质晕进化坍缩
在天体物理学中 ， 一个用来解释超大质量黑洞的流行机制是早期宇宙原星系中原始气体的坍缩 。
于海波说：“不过 ， 这种机制无法产生质量足够大的种子黑洞来解释新观察到的超大质量黑洞 ， 除非种子黑洞经历了极快的生长速度 。 ”
他说：“我们的研究将提供另外一种解释：自身交互的暗物质晕经历了引力热力学不稳定 ， 其中心区域坍缩成种子黑洞 。 ”
于海波及其同事提出的运行机制如下：暗物质粒子首先在引力影响下聚集在一起 ， 形成暗物质晕 。 在暗物质晕的进化过程中 ， 两种相互竞争的力量——引力和压力——共同作用 。 引力将暗物质粒子向内拉 ， 压力则把它们朝外推 。
如果暗物质粒子没有任何自身交互 ， 那么随着引力把它们拉向暗物质晕中心 ， 它们会变得更热 ， 也就是说 ， 将运动得更加迅速 ， 而压力实际上也在增大 ， 暗物质粒子会反弹回来 。
不过 ， 在暗物质自身交互的情况下 ， 自身交互作用就能把这些“更热”粒子的热量传递给附近较冷的粒子 ， 这将使得暗物质粒子难以反弹 。
于海波解释说 ， 暗物质晕中心会坍缩成黑洞 ， 它具有角动量 ， 这意味着它是自旋的 。 自身交互会导致黏滞 ， 即“摩擦” ， 消解角动量 。 在坍缩过程中 ， 由于黏滞的原因 ， 质量固定的晕中心半径缩小、自旋速度减慢 。 随着进化的继续 ， 晕中心最终坍缩成一种奇态：种子黑洞 。 这颗“种子”可以通过吸积四周的重子物质——即诸如气体和恒星等可见物质——从而生长得更为巨大 。
于海波说：“我们这一设想的优势在于 ， 种子黑洞是由暗物质晕坍缩而产生 ， 质量可以很大 。 因此 ， 它可以在相对较短的时间量程内成为超大质量黑洞 。 ”
重子物质受到关注
这项研究的新颖之处在于 ， 研究人员指出了重子（即普通的原子和分子粒子）对于本设想成立的重要意义 。
该论文共同作者冯维祥说：“首先 ， 我们证明了气体和恒星等重子的存在能够显著加快暗物质晕发生引力热力学坍缩、种子黑洞能在足够早的时候形成 。 其次 ， 我们证明了自身交互会导致黏滞 ， 消解晕中心残留的角动量 。 第三 ， 我们开发了一种方法研究什么条件会引发暗物质晕因广义相对不稳定性而坍缩 ， 如果条件得到满足 ， 这种不稳定性将确保种子黑洞的形成 。 ”
在过去十年里 ， 于海波仔细研究了关于暗物质自身交互的新奇预测以及相关观测结果 。 他的研究表明 ， 自身交互的暗物质可以合理解释星系中观测到的恒星和气体活动 。
他说：“众多星系的中心区域都是由恒星和气体主宰 。 因此人们自然会问 ， 这些重子物质的存在会如何影响坍缩过程 。 我们证明它会加速坍缩的发生 。 这一特征恰恰就是我们需要用以解释早期宇宙中超大质量黑洞起源的东西 。 自身交互还导致黏滞 ， 黏滞消解了晕中心的角动量 ， 进一步助推了坍缩进程 。 ”

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