《大科技》杂志：巨大黑洞形成之谜

　　吴再丰/文

　　庞然大物总是会令人类震惊，比如曾经叱咤风云的恐龙一族，再比如人们在宇宙深处发现的超大型黑洞。

　　宇宙深处的“恐龙”

　　黑洞是宇宙中最神秘的天体，上个世纪60年代，科学家从理论上提出，在星系的中心应该存在超大型的黑洞，它们的质量同太阳相比，要大几百万倍到数十亿倍！可是，在美国的哈勃太空望远镜升空之前，人们并没有直接观测到巨大黑洞存在的天文证据。

　　自从1990年哈勃太空望远镜升空并开始运转后，它在数个星系的中心都发现了高速旋转的气体，这让科学家十分兴奋，因为他们得到了计算天体质量的“钥匙”。天体在公转的时候，都要满足开普勒定律。根据开普勒定律，天体旋转的速度与质量的平方根成正比，与旋转半径的平方根成反比。因此，观测天体的旋转速度和旋转半径，就能求出天体的质量。利用开普勒定律，科学家计算后发现，在星系中心高速运动的气体所围绕的区域中，正是理论上所预言的超大型黑洞的藏身之处。

　　比如，在M87星系中心直径15光年内的区域里，包含了达太阳质量30亿倍的天体，在另一个星系的中心半径300光年内的区域里，包含着太阳质量20亿倍的天体。显然，这些天体都属于超大型黑洞。

　　最近的一个新发现更让科学家激动不已。科学家利用由10台无线电望远镜组成的列阵进行天文观测，这种望远镜列阵能获得极高分辨率的图像。经过一年半的观测，在距离地球2.6亿光年远的仙女座星系的中心，他们发现了黑洞吞噬物质所产生的射电。追溯射电的源头，可以发现这个源头在以1.05光年为周期，以长轴在0.3光年左右的椭圆轨道绕着另一个天体旋转。科学家可以根据轨道的周期和椭圆轨道的形状来估算两个天体的质量。结果他们发现，两个天体的质量之和是太阳的100亿倍！在直径只有约1光年的狭窄空间中，存在这么大的质量的天体，科学家只能认为，这两个天体都是黑洞。这是世界上首次发现两个超大型黑洞像双星那样近距离共存。

　　科学家预计，这两个黑洞将在1万年后合并。地球绕太阳旋转而没有落入太阳里，是太阳的质量还不够大，地球的角动量能够保持，因此可以持续公转。但是，如果绕着如黑洞那样大质量的天体旋转，两个天体之间的引力波十分强大，会导致两个天体的角动量减少，于是两个黑洞会逐渐地靠近，最终一个把另一个“吞食”掉。

　　这些太空中的“

恐龙”正在显露出它们的面目。如此巨大质量的黑洞是怎么形成的？太阳这样的普通恒星可以通过星云凝集来形成，可是超大型黑洞却似乎无法从这种集腋成裘的方式中诞生。科学家为它们的诞生之谜头疼不已。

　　来自星暴星系？

　　超大型黑洞的形成需要庞大的质量，因此它也许是由许多小黑洞聚集而成的。从这个思路考虑，一些科学家提出，超大型黑洞是由星暴星系产生的。

　　很久以来，天文观测表明，在星系合并和相互作用的地方，经常出现圆盘状的恒星形成暴。最近人们认为，即使两个星系不合并，靠得很近的星系之间的相互作用也能使星系旋转不稳定，导致气体如漏斗般向核心聚集，点燃了围绕核心的星暴。所谓的星暴星系正是大量恒星正在快速诞生的星系。普通的星系比如银河系也形成恒星，但是形成的速度很慢。而在星暴星系中，恒星的形成是非常剧烈的，如果星暴星系能够保持稳定，它内部形成新恒星的宇宙气体消耗的速度非常快。著名的星暴星系有M82星系。

　　星暴星系以迅猛的速度产生新星，同时又以迅猛的势头引起超新星爆发。最终，产生了大量的太阳质量级别的黑洞。这些黑洞再集合周围气体，变成质量更大的黑洞。科学家推测，这些距离很近的黑洞有可能会相互合并，形成巨大的黑洞。

　　星暴星系有足够的物质来形成超大型黑洞。但是很可惜，根据目前的理论计算，这样的黑洞合并方式太缓慢了，即使经过100亿年，黑洞聚集的气体质量也只占其自身质量的百分之几。

　　第三种黑洞的启示

　　最近，在M82星系附近，科学家发现了一颗不大的恒星，在恒星的旁边，有一个发射X射线的区域，经过分析，这个区域应该是一个黑洞，恒星其实是这个黑洞的伴星。

　　有了这颗伴星，天文学家可以很轻松地计算出这个新发现的黑洞的质量。这个黑洞比绝大多数星系中心的特大质量的黑洞要轻得多，但是也比那些只有几倍太阳质量的黑洞要重，它是太阳质量的500倍，正是科学家寻找了很久的“中间型”黑洞。

　　这个黑洞的伴星其实是一颗红巨星，处于恒星生命的最后阶段，膨胀自身，因此变得巨大。也正因为这个恒星有这样的尺寸，才提供给黑洞足够的“燃料”，使黑洞区域被照亮，让研究者观察到。黑洞泄露的X射线辐射每62天就变得更明亮，说明黑洞正在从伴星外层夺取气体。当伴星膨胀，并给黑洞“喂食物”的时候，黑洞就释放出了X射线。

　　这第三种黑洞是如何形成的呢？天文学家猜测，M82里的这个黑洞是由一个巨星星簇形成的，在强大的引力下，大量恒星被压缩到只有100光年直径的区域里。从理论上讲，整个星簇最终将坍缩，产生一个短命的巨恒星，巨恒星继续坍缩，最终形成一个中型黑洞。科学家估计，通过这种方式形成的黑洞，它们的质量应该是我们的太阳质量的几百倍到上万倍。

　　中间质量黑洞的发现，为理论上解释巨大黑洞的形成提供了线索，人们可以提出合理的假说来。

　　一位美国科学家提出，在宇宙诞生之初，大质量天体可以直接坍缩，产生类似目前所发现的中间质量黑洞的天体。在宇宙大爆炸后30万年，光线已经可以自由飞翔，如果那时有人观测宇宙，就能一眼望到遥远的地方。在宇宙放晴后，此时诞生的黑洞一般为太阳质量的10万倍到100万倍，而且基本上是在与星系无关的地方产生的。

　　如果这样大小的黑洞与星系相遇，黑洞会逐渐落入星系的中心。假如平均每年落入星系中心的物质有一个太阳质量的级别，那么1亿年的时间，就可以积聚1亿倍太阳质量，这足以形成巨大的黑洞。

　　也许，这就是宇宙中的恐龙——超大型黑洞的形成过程。