在宇宙大爆炸後，超級黑洞是如何形成並如何釋放強大噴流的？

在過去的幾十年裡，天文學家已經有能力去探索宇宙的更多奧祕，也有能力回溯時間，幾乎可以回到宇宙的起源。因此，他們了解了許多宇宙中早期星系和星系後期演化的知識。儘管如此，還是有許多事情遊離於人類的認知之外，比如說，我們不知道有著超級黑洞和大品質噴流的星系是何時出現的？

國際高等研究學院(SISSA)和日本、臺灣的一組天文學家的研究，為超級黑洞是如何在宇宙大爆炸後8億年開始形成，以及相對論性噴流是如何在大爆炸後不到20億年形成的提供了新的見解。這些不斷增長的論據，表明了宇宙中大品質物體是如何形成的比我們想象的更快。

早在半個多世紀前，天文學家就發現了超大品質黑洞。很快，他們便意識到了這些黑洞存在於大部分大型星系的中心區域。研究學者們一直悉心鑽研超大品質黑洞在星系演化中的作用，當代天文學家證實它們與行星的形成息息相關。

同樣，天文學家發現，超大品質黑洞周圍聚集了緊密的吸積盤，在那周圍的氣體和塵埃的執行速度接近於光速。這使得一些星系的中心異常明亮（即活動星系核），甚至比同一星系的其他行星更加閃耀。有些時候，這些吸積盤還會引發熱流的爆發，使得在幾十億光年之外的地方還能看得到。根據傳統模型，宇宙的壽命若不到十億年（至今宇宙已存在約130億年），中心黑洞是無法形成的。但近期有研究表明，早在宇宙形成的十億年間，黑洞就已經在星系中心慢慢形成。

為了證明這一觀點，來自裡雅斯特高階國際研究中心的科學家提供了合理的解釋，建立了新的模型。眾所周知，超級品質黑洞形成於早期星系的中心地帶，以此事實為基礎，宇宙基礎物理協會（FPU）的博士Lumen Boco帶領其研究團隊，開始對這一主題的研究。這些早期天體是當今橢圓星系的前身，高濃度氣體環繞，且新星的形成速率極快。這些早期星系中的初代行星存在時間並不長，但他們很快就進化成了黑洞，體積微小，數不勝數。黑洞周圍的高密度氣體會產生大量的摩擦，迫使它們不斷向資訊中心速移。這就是超級品質黑洞發育的搖籃，在此它們隨著時間緩慢生長。

來自天文學家關於S2恆星運動軌跡的圖正是它從位於銀河中心的超大品質黑洞近距離掠過的時候的畫面。（圖片來源於：ESO/M. Kornmesser.）

正如研究團隊在近期發表的SISS新聞文章中解釋到：依據經典理論，一個超大品質黑洞潛伏在銀河系中心，它會吸取周邊的物質來實現自身的增長，主要為氣體，最終以與其本身品質成正比的節奏吞噬所吸取的物質。正因此，在黑洞生長的初始階段，也是其品質小的時候，其生長速度非常慢。根據計算，在某種程度上，如果要達到所觀測到的品質——太陽的數十億倍，需要經歷很長的時間，甚至比年輕的宇宙形成的時間還要長。

然而，在他們最初建立的資料模型中表明中心黑洞的形成過程在其成長初始階段是非常迅速的。這不僅為超大品質黑洞種子存在於早期宇宙中提供了一種解釋，也使得他們的生長時間與已知的宇宙年齡相一致。簡言之，他們的研究表明早期黑洞的遷移與合併的過程使得超大品質黑洞種子在5千萬至1億萬年間成長至1萬乃至10萬倍的太陽品質。如研究團隊解釋：若按常理來設想，中心黑洞的快速增長是由前面提到的氣體的直接積聚造成的，因為它會吸引和吸收大量的氣體。這一設想在我們的猜想過程中占主導地位。然而，正是從我們的機制所設想的如此大的黑洞種子開始，加速了超大品質黑洞的整體增長，並且允許它存在於年輕的宇宙中。簡言之，根據這個理論，我們可以說，在宇宙大爆炸之後的8億年中，超大品質黑洞已經填滿了宇宙。

對於已觀測到的超大品質黑洞（Supermassive Black Hole, SMBH），研究團隊提出了一個方法來測試現有的研究模型。一方面，通過引力波探測器例如鐳射干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational Observatory，LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）探測超大品質黑洞合併產生的引力波，未來還將使用愛因斯坦望遠鏡進行表徵。

除此以外，超大品質黑洞的後續發展可以通過諸如歐洲空間局（Europe Space Agency，ESA）計劃於2035年左右發射的空間鐳射干涉天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）進行探測。

與此計劃類似地，有一組天文學家近來使用位於智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）來研究關於星系的另一個謎團，即：為什麼有些星系有噴流但是有些星系沒有噴流。這些高速噴流是以相對論速度（接近光速）運動的離子物質，目前已在部分星系的中心觀測到。天文學家認為這些高速噴流與星系的恆星形成率有關，因為這些被噴出的物質如果留在星系內會逐漸形成新的恆星。換句話說，這些高速噴流在星系演化中扮演的角色與大品質黑洞非常相似。

因此，天文學家開始對黑洞噴流與氣體雲隨時間推移的相互作用進行了更多研究。可惜的是，宇宙形成早期的這類相互作用非常難觀測到。一組天文學家通過使用ALMA獲得了第一張來自宇宙極深處的類星體的氣態雲擾動的照片。

MG J0414+0534的重構影象顯示了類星體（紅色）周圍的塵埃和離子氣體和一氧化碳氣體（綠色）的發射是存在兩極結構的。（圖片來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue等）

日本近畿大學的井上教授（Kaikitaro Inoue）領導的研究團隊最近在《天體物理學快報》發表了他們的研究結果。井上教授和他的同事解釋到：ALMA的觀測資料揭示了從一顆距離地球110億光年的類星體MG J0414+0534噴射出的年輕雙極噴流。這項研究表明含有超大品質黑洞和噴流的星系在宇宙大爆炸30億年以內就出現了。

除了ALMA之外，研究小隊還依賴於一種稱為引力透鏡的技術，即干涉星系的引力將來自遙遠天體的光放大。多虧這臺“宇宙望遠鏡”和ALMA的高解析度，研究小組能夠觀察到MG J0414+0534周圍受干擾的氣態雲的同時，還確定它們是由星系中心SMBH發射不久的噴流造成的。

正如日本國家天文臺/SOKENDAI專案副教授Kouichiro Nakanishi在ALMA新聞稿中所講的：

“結合這架宇宙望遠鏡和ALMA的高解析度觀測，我們獲得了異常敏銳的視力，是人類視力9000多倍。通過這種極高的解析度，我們能夠獲得從超大品質黑洞噴射出來的噴流周圍氣體雲的分佈和運動。”

這些觀測結果同樣表明，氣體沿著噴射方向受到衝擊，導致顆粒劇烈移動，並加速至600公里/秒（370英里/秒）。更重要的是，這些受影響的氣態雲和噴流本身比這個年齡的典型星系要小得多。

藝術家對MGJ0414+0534的（描述）印象，展現了強大的噴流乾擾著整個星系周圍的氣體。歸功於金戴大學的研究小組，他們由此得出結論，在MGJ0414+0534星系中目睹了一個非常早期的噴流演化階段。

如果是真的，這些觀測結果使研究小組得以見證早期宇宙中星系的一個關鍵進化過程。

正如井上所總結的：“因為有噴流的年輕，MGJ0414+0534星系是一個很好的例子。我們發現了噴流和氣態雲之間顯著相互作用的證據，即使在噴流的早期演化階段也是如此。我認為我們的發現將為更好地理解早期宇宙中星系的進化過程鋪平道路。”

這些研究表明，宇宙中兩個最強大的天文現象出現的時間比預期的要早。這一發現也為天文學家提供了一個機會來探索這些現象是如何隨時間演化的，以及它們在宇宙演化中所起的作用。

相關知識

黑洞，是太空中的一個物質引力強大到粒子、甚至連光這樣的電磁輻射都無法逃脫的地方。廣義相對論認為，足夠緊密的品質可以使時空變形，從而形成黑洞。黑洞那無法逃脫的邊界被稱為事件視界。儘管事件視界對穿過它的物體的命運和環境有著巨大影響，但不存在區域性可探測特徵。因為黑洞不反射光，在許多情況下，黑洞表現的像一個理想黑體。此外，彎曲時空的量子場論認為，事件視界會發出霍金輻射，其頻譜與溫度和品質成反比的黑體一致。對於可與恆星試比重的黑洞來說，這個溫度大約是十億分之一開爾文，觀測到的可能也微乎其微。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.Three Dreams，LRZ，〆Vian，小浣熊愛鹿鹿，extraterrestrial-universetoday