巨大的原始恒星可能是超大质量黑洞的“种子”

cnBeta.COM 2021-03-15

  潜伏在大多数星系中心的超大质量黑洞,包括我们自己的星系,被认为是通过吞噬数十亿年的物质而变大的。但一项新的研究表明,它们可能走了一条捷径,以一颗假想的原始超大质量恒星为起点,它的体积远大于今天的任何一颗恒星,并在一颗巨大的超新星中爆炸。

  根据黑洞的质量,黑洞主要分为两类。有恒星质量的黑洞,质量约为太阳的五倍到几十倍之间。当某些恒星耗尽其燃料供应并自我崩溃时,就会形成这些黑洞。在尺度的另一端,则是超大质量黑洞,其质量为数百万甚至数十亿个太阳的质量。

  一般认为,前者经过数十亿年成长为后者,因为它们吞噬了尘埃、气体、恒星、行星、其他黑洞,以及其他任何太过接近的东西。越来越多的证据表明,有一类新的黑洞被称为中等质量黑洞,其质量在太阳的100到10000倍之间,从而支持了这一假说。

  不幸的是,故事并不那么简单。早期恒星的顶点似乎在100到200个太阳质量之间,如果它们坍缩成黑洞,它们需要在很长一段时间内吞噬大量的物质才能成长为超大质量的怪物。在很多情况下,周围根本没有足够的 "食物"。另外,观测表明,这些巨大的黑洞在宇宙的生命期中出现得相当早,所以从字面上看,应该没有足够的时间让它们通过这种方法长成那么大。

  关于超大质量黑洞的起源故事,天文学家们正在进行大量的调查,但有一种耐人寻味的可能性是,它们走了一条捷径,诞生于质量在数万个太阳范围内的 "超大质量 "恒星。这些绝对意义上的野兽会比我们所见过的任何恒星都要巨大得多,由于物理学上而言它们的存在可能是值得商榷的。不过,这也同时是一个方便的解释。

  "早期宇宙中可能存在少量的原始恒星,其质量为数万个太阳质量,"该研究的作者Ke-Jung Chen说。"它们很可能是星系中超大质量黑洞的祖先,因为黑洞种子的质量越大,吞噬周围物质的效率越高。黑洞不需要保持很高的吸积率就能快速成长!"

  棘手的是找到它们的直接证据,因为如果它们真的存在,它们很可能在数十亿年前就已经全部坍塌成黑洞了。大多数超大质量恒星理论的支持者预测它们会直接坍塌,而不会变成超新星--但Chen不同意这种说法。

  在2014年的一篇论文中,Chen概述了一个模型,说明一颗约55000太阳质量的原始超大质量恒星如何经历由爆炸性氦燃烧引起的超新星。在新的研究中,Chen和他的团队模拟了这种事件的辐射动力学,并发现它们应该在事件发生后的几十年内发出发光的光芒。由于红移现象,宇宙的膨胀会使光的波长向光谱的红色端延伸,这将会显得非常红。

  最有趣的是,这应该在即将到来的詹姆斯-韦伯太空望远镜等近红外调查中可见。该团队表示,这意味着我们很快就能探测到这些超大质量恒星超新星的余晖,并验证这一假设。当然,也可能我们什么也发现不了,只能默默地一个个把它们从名单上划掉。无论如何,这都是另一个让人兴奋的理由,期待已久的 "哈勃"的继任者的推出希望可以帮我们解答这一疑问。

  该研究发表在《英国皇家天文学会月刊》杂志上。

责任编辑:王超

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