研究发现早期星系中蕴藏的黑洞要比之前想象的多得多

新的发现表明，早期星系中黑洞的普遍程度比预期的要高，这表明我们的标准宇宙学模型存在潜在的缺陷。

超大质量黑洞是宇宙中最令人震惊的天体之一，其质量可以超过太阳的十亿倍。 我们知道，这些巨大的实体已经存在了很长时间。

事实上，天文学家已经发现了位于星系中心的极其明亮的紧凑源，它们被称为类星体（快速增长的超大质量黑洞），当时宇宙的年龄还不到 10 亿岁。

现在，我们发表在Astrophysical Journal Letters上的新研究利用哈勃太空望远镜的观测结果表明，早期宇宙中的黑洞数量比之前的估计多得多（亮度要低得多）。 令人兴奋的是，这可以帮助我们了解黑洞是如何形成的，以及为什么它们中的许多看起来比预期的质量更大。

黑洞通过吞噬其周围的物质而成长，这一过程被称为吸积。 这个过程会产生大量辐射。 这种辐射所产生的压力对黑洞的生长速度产生了根本性的限制。

因此，科学家们在解释这些早期的大质量类星体时面临着一个挑战：由于没有足够的宇宙时间来哺育它们，它们的成长速度要么超过了物理上的可能，要么就是天生就具有惊人的质量。

这是哈勃超深场的最新图像。 2004 年，哈勃对该领域进行了首次深度成像。 几年后，哈勃再次对同一巡天视场进行了观测，并在 2023 年进行了重新成像。 通过对比哈勃宽视场相机 3 在 2009 年、2012 年和 2023 年拍摄的近红外曝光照片，天文学家发现了早期星系中心闪烁的超大质量黑洞的证据。 插图中的一个明亮物体就是一个例子。 有些超大质量黑洞并不会持续吞噬周围的物质，而是会突然爆发，使其亮度闪烁不定。 这种情况可以通过比较不同时间拍摄的哈勃超深场帧来探测到。

黑洞究竟是如何形成的呢？ 有几种可能性。 第一种可能是所谓的原始黑洞在宇宙大爆炸后不久就已经存在。 虽然对于低质量的黑洞来说是可信的，但根据宇宙学标准模型，大质量黑洞不可能大量形成。

在一些正常大质量恒星短暂生命的最后阶段，黑洞肯定会形成（现在已被引力波天文学验证）。 如果这种黑洞形成于恒星和黑洞可能合并的密度极高的恒星簇中，原则上可以迅速成长。 正是这些"恒星质量种子"黑洞需要快速成长。

另一种情况是，它们可能是由"重种子"形成的，其质量大约是已知大质量恒星的1000倍。 其中一种机制是"直接坍缩"，在这种机制中，被称为暗物质的未知、不可见物质的早期结构限制了气体云，而背景辐射阻止了它们形成恒星。 相反，它们坍缩成了黑洞。

问题在于，只有少数暗物质光环长得足够大，才能形成这样的种子。 因此，只有在早期黑洞足够稀少的情况下，这种解释才能成立。

Westerlund 1 是距离地球最近的最大"超级"星团。

多年来，我们已经对宇宙最初的十亿年中存在多少星系有了很好的了解。 但在这些环境中寻找黑洞却极具挑战性（只有发光的类星体才能被证实）。

虽然黑洞是通过吞食周围的物质来生长的，但这并不是以恒定的速度发生的--它们会把进食分成"三餐"，这使得它们的亮度会随着时间的推移而变化。 我们对一些最早的星系进行了为期15年的亮度变化监测，并以此对黑洞的数量进行了一次新的普查。

结果发现，居住在普通早期星系中的黑洞数量是我们最初想象的几倍。最近，詹姆斯-韦伯太空望远镜（JSTW）的其他开创性工作也开始得出类似的结论。 总之，我们拥有的黑洞数量超过了直接坍缩形成的黑洞数量。

还有另一种更奇特的黑洞形成方式，可以产生既巨大又丰富的种子。 恒星是通过气体云的引力收缩形成的：如果能在收缩阶段捕捉到大量暗物质粒子，那么内部结构就会被完全改变--核点火也会被阻止。

因此，恒星的生长可以比普通恒星的典型寿命长很多倍，从而使它们的质量变得更大。 然而，就像普通恒星和直接坍缩天体一样，没有任何东西最终能够抵御强大的引力。 这意味着这些"暗星"最终也会坍缩形成大质量黑洞。

我们现在相信，类似的过程应该已经发生，从而形成了我们在新生宇宙中观测到的大量黑洞。

对早期黑洞形成的研究在过去两年经历了一场变革，但从某种意义上说，这一领域才刚刚开始。

新的太空观测站，如欧几里得任务或南希-格雷斯罗曼太空望远镜，将填补我们对早期较暗类星的普查。 位于澳大利亚和南非的新雅典娜任务和平方公里阵列将帮助我们了解早期围绕黑洞的许多过程。

但近期我们必须关注的是韦伯望远镜。 凭借它在成像和监测方面的灵敏度，以及观测非常微弱的黑洞活动的光谱能力，我们期待未来五年能够真正确定第一批星系形成时的黑洞数量。

我们甚至有可能在黑洞形成的过程中亲眼目睹第一颗原始恒星坍缩时发生的爆炸。 模型显示这是可能的，但这需要天文学家的协调和努力。

作者：斯德哥尔摩大学天体物理学副教授马修-J-海斯（Matthew J. Hayes）。

改编自最初发表在 The Conversation 上的一篇文章。