光明网|宇宙中的那些第一代发光天体( 三 )
除了上面说的这种途径之外， 还有另外一种途径也可以形成第一代黑洞 。 在一个从来没有经历过恒星形成且质量比较大的暗物质晕里 ， 如果它的氢分子被外界的辐射破坏掉了 ， 气体将始终维持较高的温度且无法碎裂 。 这种情况下 ， 气体的中心部分可以直接坍缩成一个黑洞 ， 或者中心部分先形成一个超大质量恒星 ， 之后再坍缩成黑洞 。
第二种途径形成的黑洞被统称为“直接坍缩黑洞” 。 它们的质量在刚诞生的时候就可以达到一万倍到一百万倍的太阳质量 ， 属于我们常说的中等质量黑洞 。 如果把这些直接坍缩黑洞做为种子 ， 再成长为超大质量黑洞就容易地多 。
“直接坍缩黑洞”虽然解决了超大质量黑洞的增长问题 ， 但它本身的形成条件却十分苛刻 。 首先 ， 需要暗物质晕的质量比较大但又不能太大 。 另外 ， 还要求它里面的气体始终保持“纯洁” ， 即不受外界的金属污染和电离辐射的影响 ， 但同时又能有足够强的其它辐射来破坏掉氢分子 。 这就要求在它的附近 ， 有一个既不能太近又不能太远的恒星或者星系 。 宇宙中有多少暗物质晕能满足以上所述条件 ， 这是有疑问的 ， 因此直接坍缩黑洞的数量也难以估计 。
这两种第一代黑洞形成的途径 ， 到底哪一个给超大质量黑洞提供了种子 ， 只能留待将来的观测来回答 。
本文插图
图6：两种第一代黑洞形成的途径 ， 上为第一代恒星死亡之后形成的恒星级黑洞 ， 下为直接坍缩形成的中等质量黑洞（图源：张萌后期处理）
直到现在 ， 并没有任何直接坍缩黑洞被观测到 ， 可能是因为它们既稀少又黯淡 。 直接坍缩黑洞的光谱与普通的星系及类星体相比 ， 是有一些差异的 ， 因此可以通过测光观测进行初步的候选体筛选 ， 然后再进行细致的光谱观测来甄别 。
目前 ， 利用哈勃望远镜和钱德拉望远镜 ， 科学家们已经挑选了一些可能是直接坍缩黑洞的天体 ， 作为候选体留给以后更强大的望远镜做进一步观测 。 当然也有一些曾经大家以为是直接坍缩黑洞的候选体 ， 经过进一步观测之后被排除掉了 。 未来 ， JWST望远镜有可能将筛选直接坍缩黑洞的候选体作为科学目标之一 。
此外 ， 直接坍缩黑洞也可能形成双黑洞 ， 这样的双黑洞互相绕转 ， 会产生频率较低的引力波 ， 也可作为新一代空间引力波实验的探测目标 ， 例如我国的“太极”计划和“天琴”计划 。
作者简介
岳斌 ， 国家天文台研究员 ， 主要从事再电离、第一代发光天体等相关研究 。
【光明网|宇宙中的那些第一代发光天体】张萌 ， 国家天文台在读博士生 ， 主要研究方向为直接坍缩黑洞的形成 。
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