黑洞通過吞噬周圍的物質(zhì)而逐漸長(zhǎng)大，那些物質(zhì)會(huì)在黑洞周圍聚集成盤，摩擦生熱到極高的溫度，發(fā)出耀眼的光芒，產(chǎn)生磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)物質(zhì)在噴流中向外疾馳?！?/p>
它們是宇宙中的大黑斑。不僅僅是黑洞，而是巨大無比的黑洞，質(zhì)量可達(dá)太陽的數(shù)十億倍。它們無處不在，甚至在遙遠(yuǎn)宇宙的黎明之光中也隱約可見。
就像散布在我們銀河系中的那些較小的黑洞一樣，超大質(zhì)量黑洞也擁有扭曲空間的全套奇異特性：它們會(huì)吞噬所有落入其中的物質(zhì)和光，以及那些悲慘的求救聲。不過，超大質(zhì)量黑洞還保守著另一層秘密。我們知道，質(zhì)量數(shù)倍于太陽的小黑洞，誕生于大質(zhì)量恒星發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)的核心坍縮，但沒有人能夠解釋那些超大質(zhì)量黑洞從何而來。
我們?cè)?jīng)以為自己可以解釋。我們一度認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞是從非常小的種子黑洞那里，通過吞噬周圍的氣體而緩慢成長(zhǎng)起來的。但最近的觀測(cè)表明，這絕非是故事的全部。對(duì)于這些遠(yuǎn)古巨獸，我們需要一個(gè)全新的解釋。
無論是什么造就了超大質(zhì)量黑洞，它都必須打造出一支“軍團(tuán)”才行。對(duì)恒星在強(qiáng)引力作用下高速運(yùn)動(dòng)所作的觀測(cè)表明，在幾乎所有的大型星系中心，包括我們銀河系的中心，都有一個(gè)巨大的黑洞。銀河系中央黑洞的質(zhì)量大約是太陽的400萬倍。而在大約5000萬光年以外的巨橢圓星系M87的中心，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)質(zhì)量超過太陽60億倍的黑洞。它的“事件視界”，也就是任何物質(zhì)都一去不復(fù)返的那條邊界，要比海王星的軌道大將近5倍。
在更遙遠(yuǎn)的地方，我們甚至看到了超大質(zhì)量黑洞更為劇烈的活動(dòng)跡象。被稱為類星體（quasar）的一類異?；钴S的星系，中心都有一個(gè)極為明亮的光點(diǎn)，亮度往往超過周圍所有千百億顆恒星的總和。許多類星體還會(huì)釋放出X射線和γ射線爆發(fā)，并以99%的光速噴射出巨大的物質(zhì)噴流。這正是巨型黑洞貪婪進(jìn)食的跡象。盤旋著落向黑洞的氣體通過摩擦生熱，發(fā)出白亮的光芒，并且產(chǎn)生磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)物質(zhì)在噴流中向外疾馳。
超大質(zhì)量黑洞的故事原本始于大爆炸后幾千萬年，當(dāng)時(shí)第一代恒星正從密度最高的原始?xì)浜ぴ浦行纬?。按照原來的故事劇情，這些恒星“先驅(qū)”的質(zhì)量可達(dá)太陽的好幾百倍。這種恒星的核心很快就會(huì)坍縮，形成一個(gè)大約100倍太陽質(zhì)量的黑洞。隨著這些種子黑洞吞噬落向星系中心的氣體，它們最終會(huì)成為類星體強(qiáng)勁有力的核心。
然而，在2000年，美國宇航局的錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極為遙遠(yuǎn)并且十分強(qiáng)勁的類星體。這個(gè)名為SDSS J1030+0524的類星體，我們看到的是它在大爆炸后僅9億年的模樣。它的能量輸出非常強(qiáng)烈，必定出自一個(gè)質(zhì)量超過太陽10億倍的黑洞。
這個(gè)怪物是怎么以如此之快的速度長(zhǎng)到這么大的？黑洞吞食的氣體越多，它發(fā)出的光和其他輻射就越強(qiáng)。最終，這個(gè)黑洞會(huì)因自己的耀眼光芒而忍饑挨餓，因?yàn)橄蛲廨椛涞墓鈺?huì)越來越強(qiáng)，強(qiáng)到驅(qū)散所有落向黑洞的氣體，切斷它的“食物”供應(yīng)。理論上講，一個(gè)黑洞至少要花3000萬年才能做到質(zhì)量翻番。對(duì)太陽附近近距離黑洞行為的觀測(cè)也支持這一理論。
從太陽的100倍跨越到10億倍，黑洞的質(zhì)量需要翻番23次，因此從理論上講，SDSS J1030+0524中的黑洞需要大約7億年時(shí)間才能長(zhǎng)成。但是，還需要給這個(gè)黑洞的種子量身定做一個(gè)氣體供給源才行。黑洞的周邊極有可能混亂而多變，因此如此迅速、如此長(zhǎng)時(shí)間的吞噬氣體實(shí)非易事。美國哥倫比亞大學(xué)的理論天體物理學(xué)家佐爾坦·海曼（Zoltan Haiman）說：“假設(shè)黑洞由始至終一直都能吸積氣體，這是有問題的?！?/p>
不過，SDSS J1030+0524或許是一個(gè)特別罕見的黑洞，在長(zhǎng)達(dá)10億年的大部分時(shí)間內(nèi)一直都能夠狼吞虎咽。美國耶魯大學(xué)的天體物理學(xué)家普里亞·納塔拉詹（Priya Natarajan）說：“一個(gè)特殊的天體，總是可以用特例來解釋?！钡牵覀円呀?jīng)在同樣遙遠(yuǎn)的距離上，發(fā)現(xiàn)了更多這樣的黑洞?！爱?dāng)出現(xiàn)了一批這樣的天體時(shí)，特例就行不通了，必定有某種自然的方式來造就它們?！?/p>
每一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)都在為此加壓。2012年，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用位于夏威夷的英國紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了類星體ULAS J1120+0641——這個(gè)類星體擁有一個(gè)質(zhì)量約為太陽20億倍的黑洞，而它所處的時(shí)間是大爆炸后僅7.7億年。如果從太陽質(zhì)量的100倍開始，理論指出，這個(gè)黑洞至少要花大約7.5億年才能長(zhǎng)到如此巨大。
最近對(duì)第一代恒星形成過程的研究，也讓“小小種子成長(zhǎng)為超大黑洞”的說法變得更講不通了。新的計(jì)算機(jī)模擬更詳細(xì)地追蹤了形成第一代恒星的氣體云坍縮的過程，發(fā)現(xiàn)它們往往會(huì)碎裂成比我們之前預(yù)想的還要更小的碎塊，產(chǎn)生的恒星質(zhì)量不會(huì)超過太陽的大約50倍。在超新星爆炸后，這些恒星形成的黑洞就只有太陽質(zhì)量的大約10倍——對(duì)于原本預(yù)期的類星體種子而言，這樣的個(gè)頭實(shí)在令人失望。納塔拉詹說：“它們根本就不夠大?！?/p>
不僅如此，常見的恒星質(zhì)量黑洞應(yīng)該會(huì)遍布每一個(gè)年輕星系。其中一些會(huì)沉入星系中心，提供種子形成更大質(zhì)量的黑洞，因此即便是質(zhì)量較小的星系，現(xiàn)在也應(yīng)該有一個(gè)令人印象相當(dāng)深刻的中央黑洞才對(duì)。但是，我們看到的情況并非如此。2012年，美國普林斯頓大學(xué)的珍妮·格林（Jenny Greene）發(fā)現(xiàn)，在總質(zhì)量約為太陽10億倍的小型星系中，只有大約半數(shù)擁有中央黑洞。
結(jié)論似乎只有一個(gè)：我們需要質(zhì)量更大的種子黑洞。
有一種可能是，超大質(zhì)量黑洞并非始于單顆恒星，而是許多顆。美國西北大學(xué)的弗雷德·拉西奧（Fred Rasio）說：“我們知道，在宇宙歷史的早期，恒星往往會(huì)大規(guī)模爆發(fā)式形成?！?003年，他對(duì)正有數(shù)百顆明亮的年輕恒星在其中形成的古老星團(tuán)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。質(zhì)量最大的恒星往往會(huì)聚集在中心附近，彼此之前發(fā)生碰撞幾乎不可避免?！澳銜?huì)得到一個(gè)質(zhì)量比太陽大好幾千倍的天體，”拉西奧說，“我可不想稱它為恒星?！苯酉氯?huì)發(fā)生什么，很難用計(jì)算機(jī)模型來加以模擬。拉西奧比較靠譜的猜測(cè)是，這個(gè)天體會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，質(zhì)量或許相當(dāng)于太陽的上千倍。
這個(gè)主意不錯(cuò)。如果我們能在今天的星團(tuán)中找到類似的中等質(zhì)量黑洞，那就更好了。在近距離星系中，天文學(xué)家已經(jīng)找到了一些挺有希望的候選者，它們被稱為極亮X射線源（ULX）。它們看上去足夠明亮，似乎是由較大的黑洞來驅(qū)動(dòng)的。但在2011年，對(duì)鄰近的仙女座大星系中一個(gè)極亮X射線源的觀測(cè)顯示，它的特征光譜與行為方式跟銀河系中只有大約10倍太陽質(zhì)量的小黑洞一模一樣。其他極亮X射線源中的黑洞，或許也只有這么小。
無論如何，即使是一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于太陽1000倍的種子黑洞，也必須要經(jīng)歷20次質(zhì)量翻番，才能夠成長(zhǎng)為10億倍太陽質(zhì)量的超大黑洞。要解釋類似ULAS J1120+0641這樣的天體，黑洞幾乎不停地狼吞虎咽仍然是必需的。
或許，我們必須要考慮一些更大的東西了。比方說，既然小黑洞是在恒星核心的坍縮中形成的，那巨型黑洞會(huì)不會(huì)是星系核心坍縮的結(jié)果？
這種可能性最早是在1978年，由英國劍橋大學(xué)的馬丁·里斯（Martin Rees）提出的。這個(gè)想法聽起來簡(jiǎn)單，但要在星系中心塞進(jìn)這么多物質(zhì)并不容易。要過的第一關(guān)，就是自轉(zhuǎn)。即使是最早的原星系，在鄰近星系引力的作用下，也會(huì)帶有一點(diǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它們收縮的時(shí)候，其中的氣體會(huì)轉(zhuǎn)得越來越快，就像被卷入龍卷風(fēng)的空氣。最終，旋轉(zhuǎn)會(huì)與引力達(dá)到平衡，形成一個(gè)自轉(zhuǎn)的氣體盤，幾乎沒有物質(zhì)落入星系最內(nèi)側(cè)幾百光年的范圍之內(nèi)。
到了上世紀(jì)90年代，拉西奧和美國哈佛大學(xué)的亞伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）證明，這一障礙是可以逾越的。如果一個(gè)原星系自轉(zhuǎn)緩慢并且密度較高的話，它的核心就會(huì)變得不穩(wěn)定。過多的氣體會(huì)聚集形成旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，它們會(huì)像齒輪傳動(dòng)裝置那樣，把轉(zhuǎn)動(dòng)向外傳遞。這樣一來，原星系的中心就能坍縮成一個(gè)密度高得多的結(jié)。
下一步會(huì)怎樣還不確定，但根據(jù)里斯及他當(dāng)時(shí)在美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的同事瑪爾塔·瓦倫特里（Marta Volonteri）和米切爾·比格爾曼（Mitchell Begelman）在2006年進(jìn)行的計(jì)算，一種可能的結(jié)果就是形成巨大的“類恒星”—— 一個(gè)稠密的氣體繭，包裹在中央的小黑洞周圍，直徑可達(dá)上億千米。這個(gè)繭巨大的重量會(huì)迫使物質(zhì)掉入黑洞，在短短幾千萬年時(shí)間里把它喂養(yǎng)到太陽質(zhì)量的100萬倍。這么大質(zhì)量的種子黑洞足以讓理論與觀測(cè)結(jié)果相符：它的質(zhì)量只需要翻番10次就能達(dá)到太陽的10億倍。就算是在氣體供應(yīng)不那么充足的情況下，在7億年的時(shí)間里做到這一點(diǎn)也綽綽有余。
但問題依然存在。在最初的坍縮過程中，氣體很容易碎裂成小團(tuán)塊，它們會(huì)聚合形成恒星，從“類恒星”中奪取物質(zhì)。其中一些恒星會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)，驅(qū)散周圍的氣體，扼制黑洞的生長(zhǎng)。有一些辦法可以繞開這個(gè)問題：附近如果有大量恒星正在密集形成的話，那些所謂的“星暴”過程發(fā)出的紫外輻射會(huì)加熱這些氣團(tuán)，阻止它們聚合；湍流或許也能夠防止氣體碎裂成小團(tuán)塊。然而，在許多天文學(xué)家看來，這些補(bǔ)救措施似乎太過刻意了?！爸苯犹s需要進(jìn)行大量的微調(diào)，”拉西奧如此評(píng)論。
這些失敗是否意味著，有一些我們完全陌生的機(jī)制在起作用？最激進(jìn)的想法或許是，巨型黑洞由大爆炸的烈焰直接鑄造，就在物質(zhì)和輻射驟然發(fā)生重新排列，即發(fā)生“相變”的那些混亂時(shí)刻。比如說，在時(shí)間開啟之后的大約1微秒，夸克聚在一起形成了質(zhì)子和中子。這個(gè)過程可能是不均勻的，會(huì)產(chǎn)生密度的激增，變成一個(gè)質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)暮诙础?/p>
這些黑洞質(zhì)量太小，不能成為我們所需的種子，但俄羅斯宇宙粒子物理學(xué)中心的謝爾蓋·魯賓（Sergei Rubin）提出，這些黑洞可能會(huì)聚集成團(tuán)，迅速并合成一個(gè)巨型黑洞。另一個(gè)看起來挺有希望的相變發(fā)生在宇宙誕生之后大約10秒，電子和正電子彼此湮滅，使得宇宙空間里充滿了γ射線光子。此時(shí)，質(zhì)量達(dá)到太陽10萬倍的黑洞有可能自發(fā)形成。
宇宙黎明時(shí)期的這些“巨獸”會(huì)吸取它們周圍的熾熱氣體，并發(fā)出明亮的X射線，在宇宙微波背景輻射中留下印記。對(duì)它們的搜尋迄今仍一無所獲，但也沒有排除存在少量罕見巨型原初黑洞的可能性，它們足以形成早期類星體的種子。
即便如此，大多數(shù)想要搞清楚超大質(zhì)量黑洞如何起源的天文學(xué)家仍認(rèn)為，原初的種子是一個(gè)太過奇怪的選項(xiàng)?！皼]有令人信服的理由支持它們應(yīng)該會(huì)形成，”比格爾曼說，“你需要一些奇怪的宇宙學(xué)理論才行。”
或許，所謂的“暗星”要更得人心一些。2007年，當(dāng)時(shí)在美國加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校任職的道格拉斯·斯波萊爾（Douglas Spolyar）及其同事提出，第一代恒星中有一些可能是由暗物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的。暗物質(zhì)粒子會(huì)沉到恒星的核心，在那里碰撞并彼此湮滅，產(chǎn)生了一種比氫氦核聚變更為溫和的熱源。沒有了強(qiáng)勁的輻射吹走流入的氣體，暗星幾乎可以無限地持續(xù)增長(zhǎng)，最終坍縮形成質(zhì)量高達(dá)太陽10萬倍的種子黑洞。
這個(gè)想法是完全可以檢驗(yàn)的。暗星會(huì)發(fā)出足夠明亮的紅外光，足以讓哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者、計(jì)劃于2018年發(fā)射的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。它或許還能夠探測(cè)“類恒星”。
如果韋布空間望遠(yuǎn)鏡什么都沒有看見，我們就需要一個(gè)更加尖端的工具來窺探超大質(zhì)量黑洞的起源。太空激光干涉儀（LISA）被設(shè)計(jì)用來探測(cè)引力波，這種時(shí)空漣漪是黑洞碰撞時(shí)相對(duì)論預(yù)言會(huì)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。LISA已經(jīng)在紙上談兵的階段停留了太久，但只要它最終能夠發(fā)射升空，它將能夠探測(cè)整個(gè)宇宙中并合黑洞發(fā)出的引力波。瓦倫特里說：“到那時(shí)，應(yīng)該就能輕易判斷種子黑洞究竟是大是小了。”
與此同時(shí)，天文學(xué)家也將在更為遙遠(yuǎn)的空間和時(shí)間中搜尋類星體。如果在宇宙歷史的更早期依然能夠找到它們，這意味著什么？最終，天文學(xué)家會(huì)探測(cè)到大爆炸后幾億年的某一時(shí)刻，即便從太陽質(zhì)量100萬倍的種子黑洞開始，也沒有足夠的時(shí)間成長(zhǎng)為類星體中心的超大質(zhì)量黑洞。這樣的話，這些故事就沒有一個(gè)能夠奏效了。到時(shí)候，對(duì)于宇宙會(huì)什么會(huì)滿是黑洞這個(gè)問題，我們就將真正陷入一無所知的黑暗之中。
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