为什么说超大质量黑洞在理论上不该存在

今年，科学家向我们展示了银河系中心超大质量黑洞的照片。它距离我们约 2.7 万光年，质量是太阳质量的 400 万倍。然而它的质量实际上处于超大质量黑洞的低端，它们中的一些质量是数十亿个太阳的量级。但问题是，超大质量黑洞在现有理论上是不应该存在的。

首先我们需要准确理解“超大质量”的含义。黑洞根据它们的质量分为三类：恒星质量黑洞，它的质量大约是太阳的数十倍；中等质量黑洞，其质量是太阳的 100 到 10 万倍；最后是超大质量黑洞，质量是太阳的 10 万到数十亿倍。一般来说，我们会在星系的中心发现这些超大质量黑洞。

我们自己的银河系有一个质量约为 400 万个太阳质量的黑洞，我们知道它的存在已经有一段时间了，这主要是因为它影响了附近恒星的运动，而这些恒星也帮助我们计算了它的质量。虽然这个超大质量黑洞有 400 万个太阳的质量，但它的直径最多与水星的轨道相当。它的直径只能容纳 17 个太阳，比大多数活跃的巨星都还要小。但是，宇宙的年龄也不足以让任何恒星质量的黑洞变成超大质量黑洞，所以它们是如何存在的？

首先，我们需要了解恒星级黑洞是如何形成的。在一颗活跃的恒星内部，有一种非常微妙的平衡在起作用，它称为“流体静力平衡”。核心向外的辐射压力阻止了引力向内坍缩。在恒星生命末期，核燃料耗尽，辐射压力停止。如果恒星足够大，那么核心就会坍缩成一个黑洞，在坍缩过程中释放出巨大的能量将其余的吹散成超新星。所以只有核心变成了黑洞，它大约占整个恒星质量的 10% 到 15%，这限制了黑洞形成时的质量。

来自恒星核心的向外辐射压力不仅克服引力，它还将粒子从恒星表面推入太空，我们称之为“恒星风”。恒星质量越大，其核心越热，这意味着辐射压力越大，发射的粒子越多。如果恒星的质量足够高，那么恒星风就会非常强烈，以至于恒星的质量会明显下降，这被称为爱丁顿极限。如果一颗恒星试图形成更高的质量，那么该恒星的质量将减小到那个极限，我们估计它大约是 130 个太阳质量。如果核心最多只有那个质量的 15%，它最终形成的黑洞只有大约 20 个太阳质量。

这个 20 个太阳质量的限制仅适用于恒星质量黑洞的形成，但恒星通常在双星系统中形成，有时甚至是三星系统。如果双星系统中的两颗恒星都在质量上限，那么它们都会变成黑洞。如果我们给它们足够的时间，它们将发射引力波导致轨道越来越近，最终会相互合并。如果有更多时间，那些更大的合并黑洞可以找到彼此，并再次合并。根据我们的估计，黑洞存在的时间足够长，足以使该过程达到最大约 200 个太阳质量。

不过，即使有合并，宇宙也没有足够的时间来制造一个大于 200 个太阳质量的黑洞，更不用说任何超大质量黑洞了。要制造一个超大质量黑洞，我们需要从一颗质量为数万个太阳的恒星开始，我们需要这颗恒星存在于宇宙中不存在的恒星时期。

早期宇宙是一个非常不同的地方，在恒星出现之前，在星系出现之前，宇宙非常均匀。但它并不完全均匀，这些轻微的不均匀性最终变成了充满星系的超级星团。假设物质在一个特定的地方坍塌得如此之快，以至于它跳过了核聚变并立即变成一个微小的黑洞。这个黑洞被物质所包围，物质会落入导致黑洞增长。这种连续坍缩会释放大量能量，但周围物质的引力也如此之大，它可以像恒星一样达到流体静力平衡。

它将是一颗类星，不过更恰当的称呼是黑洞星。它不是核聚变引起的向外压力，而是由落入黑洞的物质引起的，这颗类星的核心将是黑洞。爱丁顿极限在此时就不适用了，因为该极限假设大部分空间都是空的，可以让粒子逃逸。但在早期的宇宙中，这颗准恒星是被物质所包围，只是密度比恒星本身的密度略低。任何在恒星风中发射的粒子都会被周围物质所弥补。随着时间的推移，周围的物质会落入黑洞。到那时，黑洞将增长到至少一千个太阳质量，也有可能达到数万个太阳质量。

随着时间的推移，这些中等质量的黑洞会积累更多物质，偶尔会相互发现并合并，最终成为我们今天在星系中心看到的超大质量黑洞。不过，这一切并没有证据支持。根据当前的物理学，“黑洞星”只是我们对超大质量黑洞起源的一种猜测。我们甚至还没有对第一代真正的恒星进行过确认的观测，更不用说这些假设的类星了。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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