新模型揭示黑洞的生长方式：将在未来的宇宙观测中进行检验

6月2日，一项研究的结果同时发表在第236次虚拟美国天文学会会议和《天体物理学杂志》上，这项研究结果表示，日前，哈佛和史密森天体物理中心和黑洞倡议(BHI, Black Hole Initiative)的科学家建立了一种新的模式，这种模式可以在黑洞生长是由吸积或合并过程为主导的前提下，预测黑洞会如何随着时间增长。

哈佛大学的科学教授阿维·勒布(Avi Loeb)博士、哈佛大学教授Frank B. Baird Jr.和天体物理学家、CfA的BHI & Clay研究员法比奥·帕科奇(Fabio Pacucci)博士已经建立了一个理论模型，以确定黑洞增长的主要方式。这个模型从近域宇宙到红移10，或者从现在到大约130亿年前都是有效的。

研究表明，黑洞主要的生长方式取决于黑洞的质量和红移。在附近的宇宙中，小黑洞主要通过吸积生长，而非常大的黑洞则主要通过合并生长。在遥远的宇宙中情况正好相反：小黑洞主要是通过合并形成，大黑洞则是通过吸积形成。

帕科奇表示：“黑洞可以以两种方式成长。它们可以从周围的空间中吸积物质，也可以互相融合，形成一个更大的黑洞。我们目前认为，第一个黑洞大约是在135亿年前，由第一批恒星开始形成的。”但问题是：这些“种子”是怎样成长为科学家们现在在宇宙中发现的大量黑洞的呢?它们是怎样从小到大变成我们现在在宇宙另一边观察到的发光巨大怪物?勒布补充说，“我们不仅可以通过探测光，还可以通过引力波来追溯它们的历史，也就是它们合并产生的时空涟漪。”

根据先前的研究，主要靠吸积成长的黑洞，其轴旋转速度预计会比主要靠合并成长的黑洞快得多。“由于旋转速度会从根本上影响黑洞周围区域的发光方式，研究黑洞的主要生长方式也有助于我们更清楚地了解这些光源的亮度。我们已经知道，物质会落到黑洞的视界，当这些物质加速时它们也会升温，最后这些气体就会开始释放辐射。黑洞吸收的物质越多，它就会越亮;这就是为什么我们能够观测到遥远的天体，比如超大质量黑洞。它们的质量是太阳的10亿倍，能够释放出大量的辐射，所以我们才可以从数十亿光年的距离之外观察到它们。”勒布进一步指出，即使黑洞的周边环境没有气体，“黑洞也可以通过星系合并而增加质量。”

黑洞和它们的成长，似乎在星系的演化中扮演着关键的角色。帕科奇说：“我们认为，每个星系的中心都有一个巨大的黑洞，这个黑洞控制着星系中恒星的形成。了解黑洞形成、成长和与星系共同进化的方式，对于我们了解宇宙来说至关重要，有了这项研究，我们又多了一个线索。”

包括Lynx、Athena、AXIS和LISA(Laser Interferometer Space Antenna)在内的下一代太空X射线和引力波观测站，将能够探测到这项研究中的大多数黑洞，一直到非常早期的宇宙时期。未来的观测将对这个新模型进行检验，并最终跨越宇宙时间，扩展有关黑洞数量的科学知识。

帕科奇说：“我们已经用附近黑洞的数据测试了我们的模型，并且得到了非常令人鼓舞的结果，我们这项研究的目的是为科学界提供一个理论，来描述黑洞在宇宙演化过程中的成长方式。这将会为未来太空望远镜的观测策略提供决策依据，并为描述宇宙其他方面演化的模型奠定基础。”

勒布对未来也持着乐观的态度，“我们在黑洞的宇宙托儿所里发现了大得惊人的‘婴儿’，但在未来几十年里，我们将弄清它们的父母是谁。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://phys.org/news/2020-06-scientists-growth-black-holes.html

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