哈勃研究显示，早期宇宙中的黑洞比我们想象的要多

新的研究可以帮助我们了解超大质量黑洞是如何形成的，以及为什么其中许多黑洞看起来比预期的质量更大。

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超大质量黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也最可怕）的物体——其质量大约是太阳的十亿倍。我们知道它们已经存在很长时间了。

事实上，当宇宙不到 10 亿年时，天文学家已经探测到位于星系中心的极其明亮的致密源，称为类星体（快速生长的超大质量黑洞）老。

现在，我们发表在《天体物理学杂志快报》上的新研究利用哈勃太空望远镜的观测结果表明，早期宇宙中黑洞的数量比之前的估计要多得多（发光度要低得多）。令人兴奋的是，这可以帮助我们了解它们是如何形成的，以及为什么其中许多看起来比预期的更大。

黑洞通过吞噬周围的物质而生长，这一过程称为吸积。这会产生大量的辐射。这种辐射产生的压力对黑洞生长的速度设置了根本限制。

因此，科学家们在解释这些早期的巨大类星体时面临着一个挑战：没有太多的宇宙时间来喂养它们，它们要么生长得比物理上可能的速度快，要么诞生时质量惊人。

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轻质种子与重质种子

但黑洞到底是如何形成的呢？存在多种可能性。首先，所谓的原初黑洞在大爆炸后不久就已经存在。虽然低质量黑洞是合理的，但根据宇宙学的标准模型，大质量黑洞不可能大量形成。

黑洞肯定可以在一些正常大质量恒星短暂生命的最后阶段形成（现已被引力波天文学证实）。如果在恒星和黑洞可能合并的极其密集的星团中形成，这样的黑洞原则上会快速增长。正是这些黑洞的“恒星质量种子”需要快速成长。

另一种选择是，它们可能由“重种子”形成，其质量比已知的大质量恒星大 1,000 倍左右。其中一种机制是“直接塌缩”，其中被称为“暗物质”的未知、不可见物质的早期结构限制了气体云，而背景辐射阻止它们形成恒星。相反，它们坍缩成黑洞。

问题在于，只有少数暗物质晕长得足够大，足以形成这样的种子。因此，只有当早期黑洞足够罕见时，这才可以作为解释。

黑洞太多

多年来，我们已经很好地了解了宇宙最初十亿年中存在多少个星系。但在这些环境中寻找黑洞极具挑战性（只能证明发光类星体）。

尽管黑洞是通过吞噬周围的物质来生长的，但这并不是以恒定的速度发生的——它们把自己的食物分解成“食物”，这使得它们的亮度随着时间的推移而变化。我们监测了一些最早的星系在 15 年期间的亮度变化，并利用这些数据对那里有多少黑洞进行了新的普查。

事实证明，普通早期星系中存在的黑洞数量是我们最初想象的数倍。

最近，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的其他开创性工作已开始得出类似的结论。总的来说，我们拥有的黑洞比直接坍缩形成的黑洞还要多。

还有另一种更奇特的形成黑洞的方法，可以产生大量且丰富的种子。恒星是由气体云的引力收缩形成的：如果在收缩阶段能够捕获大量暗物质粒子，那么内部结构就可以完全改变——并防止核点火。

因此，生长的持续时间可能比普通恒星的典型寿命长很多倍，从而使它们变得更大。然而，就像普通的恒星和直接塌缩的物体一样，没有任何东西最终能够承受住强大的引力。这意味着这些“暗星”最终也应该坍塌形成巨大的黑洞。

我们现在相信，我们在婴儿宇宙中观察到的大量黑洞应该发生了类似的过程。

未来计划

对早期黑洞形成的研究在过去两年中经历了转变，但从某种意义上说，这个领域才刚刚开始。

新的太空天文台，例如欧几里得任务或南希·格雷斯·罗马太空望远镜，将填补我们早期对较暗类星体的普查。澳大利亚和南非的NewAthena 任务和平方公里阵列将解锁我们对早期围绕黑洞的许多过程的理解。

但我们近期必须关注的确实是 JWST。凭借其成像和监测的灵敏度以及观察非常微弱的黑洞活动的光谱能力，我们预计未来五年将在第一个星系形成时真正确定黑洞的数量。

通过目睹与第一批原始恒星坍塌相关的爆炸，我们甚至可以在现场看到黑洞的形成。模型表明这是可能的，但这需要天文学家的协调和专注的努力。

这篇编辑过的文章是在知识共享许可下从The Conversation重新发布的。阅读原始文章。