宇宙起源中莫名其妙的巨大黑洞驳斥了之前的解释

超亮的极早期类星体给宇宙学带来了问题，但现在所提供的解释似乎不可行。

艺术家对早期类星体的印象。白色球体是以相对论速度绕黑洞运行的气体团块的程式化表示，使我们能够估计其质量。

图片来源：T Muller/MPIA

早期宇宙中存在明显巨大黑洞的证据所造成的宇宙之谜继续加深。 JWST 对此类异常现象（称为 J1120+0641）的观测表明，曾经流行的解释这些物体如何在大爆炸后如此快地发出如此多的光的可能性不大，迫使天文学家再次尝试。

JWST 的非凡能力使天文学家能够观察到比我们以前见过的任何星系都更遥远的星系。我们在太空中观察得越远，我们在时间上观察的时间就越长——而且我们看到的这些物体是在宇宙形成之后不久的样子。事实上，其中许多模型看起来比现有模型更大、更发达，这似乎需要解释，

类星体是这些诞生之初的奇怪现象之一，它们是围绕超大质量黑洞的极其明亮的吸积盘。这些早期类星体的强烈亮度使得光线必须传播数十亿光年，这表明存在非常巨大的黑洞。 

宇宙的主导模型并没有为黑洞提供这么快变得这么大的路径。 

一种解释是，我们所看到的物体在进食方面特别有效，这意味着黑洞比它们所产生的类星体要小。如果不是在 J1120+0641 中没有发现如此有效的进食迹象，这将是摆脱混乱的一种非常方便的方法，这表明其中心的黑洞包含超过 10 亿个太阳质量。

这并不意味着 J1120+0641 成为最重的异常大黑洞——有些黑洞质量高达 100 亿个太阳质量——但考虑到它的年龄，它仍然大到足以成为一个问题。这也是 JWST 所研究的第一个黑洞，它可以测试一些解释，从而避免重新思考我们的宇宙模型。选择 J1120+0641 执行该任务是因为在 2019 年 JWST 预定时间时，这是已知最遥远的类星体。

JWST 的一再延误意味着直到 2023 年 1 月才进行观测，那时已经看到了更遥远的类星体，但 J1120+0641 仍然是一个合适的选择。我们现在看到的情况是大爆炸后 7.7 亿年。

马克斯·普朗克天文学研究所的莎拉·博斯曼博士研究了 JWST 收集的 J1120+0641 的光谱，发现它看起来与用作基准的相对较近的类星体没有什么区别，除了被更热的尘埃包围之外。

尘埃可能更热，但在其他方面并没有什么不同，这就排除了尘埃异常导致我们高估古代黑洞质量的解释。

“总的来说，新的观测结果只会增加谜团：早期类星体的正常程度令人震惊。无论我们在哪个波长下观察它们，类星体在宇宙的所有时期几乎都是相同的，”博斯曼在一份声明中说。 

我们可以根据附近气体团发出的光来估计黑洞的质量，该气体团位于光谱的宽线区域。这些团块以接近光速的速度绕黑洞运行，宽线辐射告诉我们有多近，这反过来又使我们能够计算黑洞的质量。博斯曼和合著者利用 JWST 的观测结果计算出 J1120+0641 的质量是太阳的 15.2 亿倍。

黑洞随着其巨大的引力捕获周围的物质而生长。然而，这种情况发生的速度是有限制的，称为爱丁顿极限，是由向外的辐射压力和向内的引力的平衡引起的。有一些方法可以暂时超越这个限制，但这种情况能持续多久还存在疑问。近年来，人们发现了许多看似达到不可能质量的黑洞，而 JWST 显着增加了黑洞的数量。

如果这些巨大的早期黑洞确实是我们想象的大小，那么它们就需要超过爱丁顿极限，或者一开始就非常巨大。这被称为“重种子”情景，需要解释质量至少是太阳十万倍的黑洞如何在恒星出现之前出现。 

根据定义，它们不可能像现在的黑洞那样形成——通过超大质量恒星的塌缩。相反，最可能的解释是巨大的气体云以某种方式直接塌缩成黑洞。然而，这是如何发生的仍然是一个尚未解决的问题。

该研究以开放获取方式发表在《自然天文学》杂志上。