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科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？( 三 )


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 。
中等质量黑洞之谜
那么有报道说“不可能质量”黑洞被发现到底是怎么回事呢？这里所谓的“不可能质量”黑洞是指 ， 在中等质量黑洞范围内处于质量低端的那一部分（见上图） ， 存在一个“不可能”的黑洞质量缺口 。 简单来讲 ， 就是大致处于某一特定质量范围内的恒星核 ， 当恒星中心温度足够高时 ， 由于星体中心正负电子对不稳定性（Pair-instability ， 简称“PI”）的作用 ， 恒星（对不稳定超新星）最后会发生剧烈高能量核爆炸 ， 炸碎整个星体 ， 从而不能形成一定质量范围内的黑洞 。 另有所谓恒星内部脉动性正负电子对不稳定性（Pulsational pair-instability ， 简称“PPI”） ， 引发五花八门的超新星爆炸形式 ， 但最后形成残余物的质量小于约65倍太阳质量 。
早在上世纪60年代初 ， 著名的英国天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）和美国核物理学家威廉·福勒（William Fowler ， 福勒与钱德拉塞卡共享1983年诺贝尔物理学奖）提出如果超大质量恒星（质量可高达1亿倍太阳质量）内部温度高到一定程度 ， 其电磁辐射场中的高能γ光子可以转化生成正负电子对（electron-positron pair） ， 因而高能γ光子数目锐减 ， 导致光子气体所产生的辐射压降低 ， 不足以抵抗向内的强大引力 ， 超大质量恒星的内核就变得不稳定了 ， 也就是所谓的PI 。 补充说一句 ， 时至今日人们依然在寻找超大质量恒星的证据 。
多年后 ， 美国天体物理学家S. E. Woosley进一步约束了条件 ， 他根据恒星模型的数值模拟结果提出 ， 如果恒星中心的氦核质量稍小 ， 32到64倍太阳质量（并不是指恒星初期的质量） ， 可能会出现PPI 。 PPI的大致意思是说 ， 恒星内部因为产生正负电子对而收缩后 ， 再发生热核反应 ， 释放了更多γ射线 ， 相当于辐射压再次提高 ， 就像又往外“拱”了一下 。 而γ光子还会再成为正负电子对 ， 这样反复径向振荡若干次 ， 因此称之为脉动性的（Pulsational） 。 之后恒星可能形成新的平衡态 ， 最终成为核塌缩超新星（core-collapse supernova ， 简称“CCSN”） ， 留下物质变成致密的天体——很可能是黑洞 ， 或是直接爆炸 ， 物质抛向宇宙 ， 但中心残存物的质量小于约65倍太阳质量 。


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