🚵🏽 🔦 🤮 询问伊桑第15号：宇宙上最大的黑洞 🌿 🦌 🌐

当我们跌入深渊时，我们将学习生命的宝藏。在那绊脚的地方，您会找到自己的宝石。
-约瑟夫·坎贝尔

读者问：

观察遥远的类星体，我们看到它们的超大质量黑洞重10 ^9个太阳。他们如何在这么短的时间内达到这个规模？

这个问题比乍看之下要复杂得多。您需要从天体物理学开始。

您可能已经知道，恒星具有不同的大小和颜色，不同的寿命和质量，并且所有这些特性彼此相关。恒星越大，其核就越大，根据核聚变原理，其燃料就会燃烧。这意味着更大的恒星在更高的温度下燃烧得更明亮，它们的半径更大，而且燃烧速度也更快。

如果像我们的太阳这样的恒星能够花费超过一百亿年的时间来燃烧其核心中的所有燃料，那么这些恒星的质量可能比我们的太阳大几十倍甚至几百倍，而无需数十亿年的时间，它们就可以将核心中的所有氢合成为氦。几百万年，有时甚至超过几十万年。

堆芯燃烧燃料时会发生什么变化？应当指出，在这些反应过程中释放的能量是使原子核抵抗巨大引力的唯一作用，引力不断地将恒星中的所有物质压缩到最小体积。当这些聚变反应停止时，核迅速收缩。压缩速度很重要，因为如果缓慢压缩物质，温度将保持恒定，但会增加熵；如果快速压缩，则熵将保持恒定，并且温度将升高。

对于大质量恒星，温度升高意味着恒星可以开始合成越来越多的重元素，从氦开始，经过碳，氮，氧，氖，镁，硅，硫，最后接近铁，镍和钴。注意，由于氦与现有元素结合，这些元素形成的核数增加了2。当您获得最稳定的元素铁，镍和钴时，就不可能进一步合成，并且原子核向外爆炸，变成2型超新星。

如果这不是在非常大的恒星中发生的话，您将获得中子星的原子核。而且，如果您携带一颗质量更大，质量较重的恒星，那么它将无法承受重力并在其内部形成黑洞。一颗恒星的尺寸是太阳的15到20倍，它死后很可能在中心形成一个黑洞。更大质量的恒星将产生更大质量的黑洞。可以想象有大量相当大的恒星，从中诞生了在有限空间内的黑洞。然后这些黑洞与时间结合在一起，或者两个黑洞都结合在一起，它们吞噬了恒星和星际物质，根据我们的观察，这种现象也是发生的。

不幸的是，这发生的速度并没有与我们的观察相符。您会看到，如果恒星变得太大，则其内部不会出现黑洞！如果我们观察到质量为130太阳的恒星，那么恒星的内部就会变得非常热，并且它们包含的能量如此之多，以至于那里出现的高能粒子可以以正电子和电子的形式形成物质-反物质对。乍一看，这没什么大不了的，但要记住这些恒星的核中发生了什么：阻止它们坍塌的一切是通过核聚变研究从内部施加的压力。当电子对和正电子对开始出现时，它们会从当前的辐射中排除，这会导致从内部对核的压力降低。这样的事情已经从重量为100太阳的恒星开始，但是如果质量达到130太阳，则压力下降得如此之快，以至于恒星开始坍塌-而且很快！

核心加热，并且其中包含大量的正电子，这些正电子会与普通物质一起an灭并产生伽玛射线，从而进一步加热核心。最后，您获得的能量如此之大，以至于它会以非常明亮和美丽的方式将整个恒星撕成碎片。因此，出现了不稳定对的超新星。这不仅破坏了恒星的外层，而且破坏了核本身，并且在爆炸之后绝对没有留下任何东西！

即使不考虑在我们的宇宙中迅速形成的足够大的黑洞，我们仍然可以得到超大质量的黑洞，例如位于银河系中心的黑洞。根据围绕它绕行的恒星的轨道，其质量为几百万个太阳质量。

但是以这种方式，不可能获得重达数十亿太阳质量的黑洞，就像位于遥远的星系Messier 87中的黑洞一样。

读者所要问的是重约数十亿太阳质量的超大质量黑洞。并且它们以大的红移出现，这表明它们一直很大。

您可能会认为，从一开始就在宇宙中已经存在如此巨大的黑洞，但这与我们从物质的光谱功率和背景宇宙辐射中对年轻宇宙的了解不符。无论这些超大质量黑洞来自何处，它们从一开始就不可能出现在这里-但现在即使在非常年轻的星系中也可以找到它们！

那么，如果普通的恒星不能产生这样的黑洞，而宇宙不是随它们而生的，那么它们是从哪里来的呢？

事实证明，恒星可能比我们已经谈论过的恒星更大。当他们达到巨大的群众时，新的希望就出现了。让我们回到由史前的氢气和氦气在宇宙中形成的第一批恒星-当时存在的气体，距大爆炸仅几百万年。

有大量证据表明，当时的恒星形成于较大的区域，与今天的银河系中包含数百或数千颗恒星的星团不同。然后，大的星团包含数百万甚至更多的恒星。如果我们看一下麦哲伦星云中塔兰图拉毒蛛星云中最接近，最大的恒星形成区域，就可以了解正在发生的事情。

这个空间区域横跨1000光年。在其中心有一个形成新星的巨大区域-R136。它包含新的恒星，其总质量约为450,000太阳质量。这个复合体很活跃，在那里形成了新的大质量恒星。在中部地区的中心，您可以发现真正独特的东西：宇宙中所有已知恒星中质量最大的恒星！

该地区最大的恒星比太阳重265倍，这是非常明显的现象。回想一下，我谈到了超新星不稳定对，以及它们如何破坏重于130个太阳质量且不会留下黑洞的恒星。该公式将一直有效到特定时刻-仅适用于质量大于130太阳但小于250太阳的恒星。如果质量增加得更多，我们将接收到强度足以发生光核反应的伽玛射线-当伽玛射线冷却恒星内部时，会敲除沉重的原子核并将其转变为光。

如果一颗恒星的质量超过250个太阳质量，它将完全坍缩成黑洞。质量为260太阳质量的恒星可以创建质量为260太阳质量的黑洞。 1000个太阳质量的恒星将创建一个质量为1000个太阳质量的黑洞。而且由于我们可以在孤立的宇宙角中制造出质量巨大的恒星，因此我们可以在宇宙年轻的时候制造这些物体。而且，我们很可能制作了相当多的这些对象，但它们仍将合并在一起。

如果有可能创建一个区域，在大爆炸之后的几百万或几千万年内就形成了一个由数千个太阳质量组成的巨大黑洞，那么这些形成恒星的区域的迅速统一和积聚表明，这些早期大的黑洞将彼此独特地结合在一起。短时间后，它们将在这些区域的中心形成越来越大的黑洞，然后变成宇宙的第一个巨型星系。

这种持续不断的增长，很容易使我们对重达几亿个太阳的黑洞做出适度的估计，这是银河系可能产生的一个星系。不难想象，更大质量的星系和非线性效应可以毫无问题地将黑洞的质量增加到数十亿个太阳质量。尽管我们不确定，但是据我们所掌握的知识判断，这就是超大质量黑洞的出现方式。

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