“韦伯向我们表明他们显然是错误的”：天体物理学家索菲·库德马尼对超大质量黑洞的研究如何改写我们宇宙的历史

超大质量黑洞是如何变得如此之快的？天体物理学家索菲·库德马尼 (Sophie Koudmani) 告诉我们她和她的同事是如何发现这一问题的。

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银河系中心潜伏着一个巨大的谜团。超大质量黑洞是时空的巨大破裂，位于许多星系的中间，周期性地吸入物质，然后以接近光速的速度将其吐出，从而影响星系的演化。

然而，它们如何变得如此巨大是天体物理学中一个普遍存在的谜团，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 使这一谜团变得更加神秘。自 2022 年上线以来，该望远镜发现，在大爆炸后的几百万年内，宇宙怪物的数量和质量都令人震惊——这一发现违背了我们关于黑洞如何形成的许多最佳模型。成长了。

Sophie Koudmani 是剑桥大学的一位天体物理学家，正在寻找这个问题的答案。 《Live Science》在伦敦举行的《新科学家现场》活动中与她坐下来讨论宇宙怪物、它们是如何形成的，以及她使用超级计算机模拟它们的工作如何改写我们宇宙的历史。

本·特纳：为什么超大质量黑洞对于理解我们的宇宙如此重要？

Sophie Koudmani：在宇宙中，一切都是相互联系的，超大质量黑洞发挥着非常重要的作用。它们从黑洞周围区域产生大量能量。当气体落入其中时，其重力势能转化为辐射。这使得气体变得非常热，并且当它变热时它开始发光。

气体被加热到数百万度，其辐射然后影响整个星系。它阻止气体聚集在一起形成恒星，从而暂停恒星形成，这对于产生真实的星系非常重要。然后，[来自超大质量黑洞的]能量可以传播得更远，影响宇宙的大尺度结构——这对于宇宙学和理解宇宙演化非常重要。

BT： 所以当你谈论向外流动的能量时，你指的是相对论性喷流，或者从某些黑洞中以近光速流出，对吗？

SK：是的。黑洞通过三种方式与其宿主星系“对话”。一种是通过相对论性喷流，另一种是通过吸积盘（围绕黑洞运行的气体、尘埃和等离子体的云状结构）发出的风——它们不像喷流那么薄——然后就是辐射。因此，磁盘通常会发出来自电磁波谱其他部分的 X 射线和辐射。

BT：您已经谈到了这一点，但是如果黑洞不存在，星系会是什么样子？

SK：所以你可能会得到通常所说的“失控恒星形成”。所有的气体都会很快被消耗掉，你就会得到星星球。这不是星系的样子。为了获得盘状星系（我们在宇宙中看到的），拥有某种黑洞非常重要。您需要获得气体和恒星之间的真实比例，而不是它们立即被吞噬。

BT：是什么吸引您研究黑洞？您想回答关于他们的哪些问题？

SK：关于超大质量黑洞，我真正喜欢的一件事是它们看似简单，但它们却蕴含着极其丰富的物理特性。实际上，您可以仅用两个数字（质量和自旋）来表征黑洞，这可以完全告诉您它们的行为，这被称为“无毛定理”。从这两个数字你可以得到所有这些不同的可能性。例如，一些黑洞有喷流，而另一些则没有，一些黑洞有明亮发光的吸积盘，而另一些则完全安静。正是与星系的相互作用才导致了这一点。

所以它是一个位于中心的简单物体，但却具有令人难以置信的强大功能。它与一些非常复杂和混乱的东西相互作用，比如星系——气体、尘埃、恒星，所有这些都是由我们不太了解的暗物质结合在一起的。所有这些组件以非常难以理解的方式相互作用。

BT：有趣的是，你将它们描述得如此简单，因为在相对论物理学中，它们是我们所有方程都失效的地方，也是我们可能想要寻找量子引力理论的地方。它们看起来简单只是因为我们的理论很简单吗？

SK：这取决于你对什么感兴趣。如果你对事件视界内发生的事情感兴趣，那么是的，当然，奇点就是我们的理论崩溃的地方。我们并不确切了解其他物理现象，例如霍金辐射，它们实际上可能来自黑洞内部。

如果您担心所有这些，是的，您的工作非常困难！但如果您正在考虑天体物理黑洞，您会对黑洞周围的气体流动和辐射感兴趣。作为一名天体物理学家，您可能会很高兴找到事件视界，看看它对周围区域的影响，并对内部的情况保持相对不可知的态度。视界本身的位置是由质量和自旋唯一确定的。

BT：JWST 揭示了黑洞的哪些我们以前不知道的秘密？

SK：我们这么早就不知道会有如此多的超大质量黑洞。它们的数量如此之多（在早期宇宙中）并且存在于相当小的星系中，这令人惊讶。

我的博士学位研究方向是对小星系中的黑洞进行建模，很幸运我碰巧正在研究这个问题，因为它与早期宇宙非常相关。詹姆斯韦伯太空望远镜告诉我们，黑洞活动发生在非常早的时期，而且发生在比我们想象的更多的星系中。事实上，这种活动似乎比当今宇宙更有效。

BT：为什么会这样？

SK：我们都知道宇宙膨胀 - 所以大爆炸发生了，整个宇宙膨胀 - 这意味着在宇宙的早期，一切都更接近在一起，因此气体流入更强，这可能有助于黑洞的生长。

一个问题是黑洞和超新星之间存在某种竞争。恒星的形成和黑洞都会消耗气体。黑洞把气体吹走，超新星也把气体吹走，超新星也把中心区域的气体排出去，然后黑洞就不能生长了，因为超新星把所有的气体都排出了。可能在早期宇宙中，由于某种原因，这种情况不会经常发生，而黑洞只是在这个过程中获胜。

事实上，有强烈的暗示表明黑洞在[早期宇宙]中胜出。这几乎表明，由于这些黑洞的质量有多大，黑洞的聚集速度比它们的宿主星系还要快。

BT：您还提到了黑洞效率。这意味着什么，黑洞怎么会有效率？

SK：有多种方法。一种方法是，当它们吸入气体时，吸积量（吸积盘增长的速度）有多高？有一种东西叫做黑洞速度极限，称为爱丁顿极限。我们经常测量黑洞通过吸入气体而增长的程度，作为理论上限的一部分。对于 JWST 测量的某些物体，效率超过 100%，因此它们确实非常高效。

这也意味着它不是一个硬性限制，并且总是存在一些理论和假设，其中一些假设可能是错误的。事实上，韦伯已经向我们表明，他们在这些情况下显然是错误的，因为他们设法突破限制并增长得更快。

BT：那么为什么当我们进入宇宙的后期阶段（局部宇宙）时，效率会降低？

SK：因此，如果恒星形成更多，周围的气体就会更少。因此，星系可能会变得越来越缺乏气体，其中一些被喷射到其他地方，一些变成恒星，还有一些被黑洞吞噬。非常古老的星系通常由它们的恒星主导，即所谓的椭圆星系。

BT：黑洞最初是如何生长的？主要有以下三个方法，对吧？带我们了解它们。

SK：所以，第一个是第一代明星。所以它们的质量比我们的太阳大得多，大约是太阳质量的 100 倍。当它们生命终结并崩溃时，它们就会崩溃成黑洞。这可能是一个很好的起点（对于超大质量黑洞），也可能是一个具有挑战性的起点，因为我们从 100（太阳质量）开始，我们希望达到 100 万。

一个更容易的起点是巨大的气体云。它们直接塌缩成黑洞，它们的起始质量约为太阳的 100,000 倍，这使得到达超大质量黑洞（质量尺度）变得更加容易。然后还有一种介于两者之间的情况，称为核星团，其中许多恒星在星系中心产生，然后坍缩成黑洞。

BT：还有另一种选择，假设的原始黑洞——可能是大爆炸之前的遗迹。这是一个非常离奇的理论，我们是否看到了很多证据？

SK：这是一个非常离奇的理论。我们对此受到了更多限制，当然也不排除这种情况。我认为现在这个问题令人兴奋的是没有任何可能性被排除。随着我们越来越接近这些黑洞形成的时间，限制变得越来越严格。

BT：我们最终如何排除这种可能性？这些限制是什么？

SK：有人说，既然我们在宇宙这么早的时候就发现了巨大的黑洞，这意味着它们一定是由直接塌缩形成的。有几篇发表的论文表明观察结果证明了这一点。

但我们现在正在做的是，我们正在修改黑洞在早期宇宙中如何生长的模型，看看是否还有其他模型的选择。特别是如果黑洞有效地生长，它们仍然有足够的时间从非常轻的种子开始生长。所以我现在想说的是，令人兴奋的是没有一个模型被排除。

BT：那么我们如何寻找答案呢？我们已经提到了 JWST 发现越来越早的黑洞，我们是否正在探索其他途径来寻找答案？

SK：一个非常酷的方法是利用引力波。 [探测它们]将使我们能够以一种完全不同的方式绘制超大质量黑洞群的地图。因为现在，除非黑洞离我们非常近并且我们可以绘制出这些恒星轨道，否则发现超大质量黑洞的唯一方法就是它们是否处于活跃阶段。

但是，当我们拥有可以发现超大质量黑洞合并的引力波仪器时，我们将拥有第二个通道来帮助我们估计它们的质量。这可以追溯到早期宇宙，因为这些仪器非常灵敏。然后我们可以发现合并信号并找到可行的增长机制。

BT：您的工作是使用模拟来发现可能的增长途径。它们如何帮助我们找到答案？

SK：观察和模拟之间不断相互作用。因此，一项观察，例如早期的超大质量黑洞，给了我们一些解释。这意味着我们可能需要调整模型以尽早实现这种增长。然后，模拟可以帮助我们知道要寻找什么，当这些观察结果返回时，我们可以再次调整我们的模型。

我与观测者密切合作，是 JWST 大型项目的一部分，该项目将于明年进行观测，并对这些处于婴儿期的超大质量黑洞进行后续跟踪，以便更好地了解它们。

BT：最后，您对巨型黑洞新研究的哪些领域最感兴趣？

SK：我对引力波探测器LISA感到非常兴奋，它将在2030年代上线，届时我们最终将能够测量引力波不仅来自小黑洞，也来自超大质量黑洞。你需要在太空中才能做到这一点。

在编码和构建模型方面我也很书呆子，所以我对技术开发也很兴奋。当然，新闻中充斥着一个非常有趣的例子，那就是人工智能。

我们正在使用人工智能来加速我们的模拟，使它们更加准确，并尝试连接从宇宙网的巨大空间一直到事件视界的所有尺度。即使现在直接做到这一点也是不可能的，因为即使是最大、最好的超级计算机的计算资源也过于密集，但我们可以使用人工智能来开发解决方案。

编者注：为了清晰起见，本次采访经过精简和编辑。