普通恒星（低于130倍太阳质量）诞生黑洞的过程

遥望夜空，穿越层层蔽障，我们看到的星系越远，看到的宇宙就越古老。我们甚至能看到宇宙发出的第一缕光线、第一批恒星、第一批星系。 当我们观察这些最遥远的天体时，我们发现其中一些星系其核心有超大质量黑洞，其质量往往有太阳质量的数十亿倍！那么宇宙诞生后这么短的时间内，这些数十亿倍太阳质量的黑洞是咋来的？要知道目前的恒星级别黑洞，也就几十个太阳质量。就算它们使劲合并，也不会在如此短的时间内形成超大质量黑洞。 这一切都要追溯到恒星的天体物理学。 普通恒星（低于130倍太阳质量）诞生黑洞的过程   在宇宙中恒星的大小、颜色、寿命和质量各异，这些性质相互之间也密切相关。恒星的质量越大，它的核聚变核心也越大。这意味着更大质量的恒星燃烧得更明亮，温度更高，半径更大，燃烧的速度也更快。   像太阳这样的恒星可能需要超过100亿年的时间来燃烧其核心的所有氢燃料，但宇宙中其他恒星比我们的太阳大几十倍甚至几百倍，它们只需几百万年或者在极端情况下，可能只需几十万年的时间就能将核心中的所有氢聚变成氦。   当恒星核心耗尽燃料后会发生什么？ 恒星聚变反应释放出来的能量（轻元素变成重元素，通过爱因斯坦著名的E = mc^2释放能量）是支撑恒星核心对抗强大引力的唯一力量。也就是说，恒星在主序星（燃烧氢）阶段，辐射压力和引力相互平衡，保证恒星以稳定的速度和体积发光、发热。 引力在恒星的一生中一直在努力将其中的所有物质压缩到尽可能小的体积。当核聚变反应因为燃料耗尽而停止时，核心就会迅速收缩。这里的速度很重要，因为如果缓慢压缩某物，它的温度会保持不变，但熵会增加，而如果快速压缩，熵会保持不变，但温度会上升！   就一颗特大质量恒星的核心而言，温度的升高意味着它可以开始融合越来越重的元素，从氦到碳、氮、氧，再到氖、镁、硅、硫，最后在短时间内变成铁-镍-钴。 核心中铁、镍、钴元素是最稳定的元素，每核子的结合能非常高，核心核聚变就会停止，因为接下来制造更重的元素实际上会损失能量、让核心降低温度。那么，当核心没有可以融合的物质，但仍然有引力的存在时，会发生什么呢？ 恒星会在失控的核心坍缩中，产生II型超新星爆发！   质量较小的恒星会在其中心留下一个中子星，而一个质量更大的恒星将无法抵抗重力，从而形成一个中心黑洞！一颗质量大约是太阳15-20倍的恒星在其死亡时就会在中心产生一个黑洞，而且恒星质量越大，产生的黑洞就越大！ 在一个空间区域内，大量的大质量恒星会通过这一机制产生很多黑洞，然后这些黑洞随着时间融合在一起，或者以恒星和星际物质为食，逐渐生长。而且我们也观察到了这种现象。   钱德拉x射线天文台（蓝色），哈勃太空望远镜（绿色），斯皮策太空望远镜（粉红色）& GALEX星系演化探测器（紫色）。 但是，这些恒星形成的黑洞都很小，就算它们合并、吸收物质，也不能很快地形成与我们观察相一致的黑洞质量。 更大质量的恒星死亡时，什么都不会留下 一颗恒星质量如果太大，在其死亡时就不会在中心产生黑洞！如果恒星超过130个太阳质量，核心内部的温度就会非常高，能量也非常大，创造的高能量辐射粒子相撞后可以形成物质-反物质对，以正电子和电子的形式出现。 这看起来貌似不是什么大事，但是上文已经说了：唯一使恒星免于核心崩溃的是核聚变产生的辐射压力！当恒星核心通过辐射粒子开始产生电子-正电子对时，核心抵抗引力的辐射压力就会降低。这种现象在大约100倍太阳质量的恒星中就会发生，但是恒星一旦达到130倍的太阳质量，压力就会大幅度减少，使恒星核心开始坍塌，而且坍塌的速度非常快！   这样就会使核心急剧升温，而且核心还包含了大量的正电子，这些正电子与普通物质湮灭后，产生伽马射线，而伽马射线又会进一步加热核心！最终，由于核心的能量非常高，会使整个恒星在最壮观的超新星类型中被完全炸得粉碎：不稳定对超新星！这个过程不仅破坏了恒星的外层，也破坏了恒心的核心，最后什么都没有留下！ 如果没有足够大的黑洞在很短的时间内瞬间形成，那大质量黑洞怎么来的？而且我们很确信宇宙中确实存在超大质量黑洞，就像我们在银河系中心发现的人马座A*，从恒星围绕它的引力轨道来看，它的质量相当于四百万个太阳质量。   更不能形成数十亿倍太阳质量的黑洞，例如，在距离我们相对较近的星系，梅西耶87中心的超大质量黑洞足有65亿倍的太阳质量。   这个数量级上的超大质量黑洞，不仅在我们附近被发现，而且它们的红移也非常高，这意味着这些黑洞已经存在了很长时间！ 你可能会觉得宇宙一开始的时候就已经存在这些超大质量黑洞了，并不是后来形成的，但这种想法与我们对年轻宇宙的描述不一致，无论是从物质功率谱还是宇宙微波背景的起伏。无论这些超大质量黑洞从何而来，它们都不太可能是跟随大爆炸一起诞生的！   如果普通恒星不能产生黑洞，宇宙也不是生来就有黑洞，那么这些年轻的超大质量黑洞又从何而来呢？ 事实证明，恒星的质量可能比我们之前讨论过的那些还要大，当恒星变得更大时，就有了新的希望。让我们回到大爆炸后几百万年宇宙中形成的第一批恒星，这些恒星由当时存在的原始氢气和氦气形成。   有大量证据表明，在很早以前，原始恒星是在更加巨大的区域内形成的，并不像我们现在在星系中看到的只有几十万颗恒星的星团，而是这些原始恒团诞生时包含了数百万颗（甚至数亿颗）恒星。原始气体云丰富、区域大，所形成的恒星质量大、数量多、而且密集，这一点很好理解。 如果我们观察一下目前我们发现的最大的恒星形成区域，位于大麦哲伦星云中的狼蛛星云，我们就能找到一些线索。   上图中的这片区域直径接近1000光年，中心是巨大的恒星形成区域（R136）包含大约45万个太阳质量的新恒星。整个气体云非常活跃，正在形成新的大质量恒星。但在这个恒星形成区域的中心，我们发现了迄今为止宇宙中已知最大的恒星！   这里最大的恒星质量是太阳的256倍。还记得上文说过的不稳定对超新星吗？这个过程会摧毁超过130倍太阳质量的恒星，不留下黑洞？但这种说法只适用于质量在130倍太阳质量以上、250倍太阳质量以下的恒星。如果恒星的质量再大一些，就会产生高能的伽马射线导致光衰变，这些伽马射线会把重原子核吹散成轻的（氦和氢）元素，从而降低恒星内部的温度。   如果一颗恒星的质量超过250个太阳质量，它的全部质量就会完全坍缩成一个黑洞。260倍太阳质量的恒星会产生260倍太阳质量的黑洞，1000倍太阳质量的恒星会产生1000倍太阳质量的黑洞，等等。所以在早期丰富的原始气体云中，会创造出很多超过这个极限质量的恒星，它们的质量完全坍缩成黑洞。随着时间的推移，然后合并增长！短时间内，就会在气体云的中心形成越来越大的黑洞，最后逐渐演化出宇宙中第一个大星系！   据我们所知，这就是我们认为宇宙中最大的黑洞形成的方式！