天文学家首次发现早期宇宙中存在重黑洞种子的证据

送烟激钟

一个超大质量黑洞的插图，其质量是太阳的几十亿倍。这些宇宙巨人是从巨大的黑洞种子中成长起来的吗？(图片来源:NASA)

据美国太空网（罗伯特·李）：天文学家可能发现了早期宇宙中重黑洞“种子”的第一个证据。

这些所谓的种子可以帮助解释一些质量相当于太阳数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞如何在大爆炸后不到10亿年的时间里快速增长。

潜在地，重黑洞种子是质量大约是我们太阳的4000万倍的黑洞。它们被认为是由一团巨大的气体云直接坍缩而形成的，不像你所看到的那种典型的黑洞，那种黑洞是在一颗大质量恒星走到生命尽头并在自身引力下坍缩而产生的。理论上拥有如此重的黑洞种子的星系被称为超大黑洞星系(obg)。

这些星系可能非常遥远，用我们的望远镜可以看到，因为它们是我们138亿岁的宇宙大约4亿岁时的样子。现在，科学家们可能已经最终确定了其中一个obg。

由哈佛&史密森尼天体物理中心研究员Akos Bogdán领导的团队，在使用詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)和美国宇航局的钱德拉X射线天文台研究类星体时，首次探测到了一个具有黑洞质量特征的物体。类星体由超大质量黑洞提供动力，是极其明亮、活跃的星系心脏。事实上，它们非常明亮，比所在星系中每一颗恒星的总和还要亮。

Bogdán和其他研究人员研究的那个星系生活在一个名为UHZ1的星系中。

事实证明，来自JWST和钱德拉的关于UHZ1的数据与OBG的预期一致。研究小组通过接入Chandra发现了X射线辐射，这些辐射表明了与类星体相关的一个进食或“吸积”黑洞，这在将周围的星系识别为OBG时尤其引人注目。

研究人员还将他们的观察结果与重黑洞种子快速生长的模拟进行了比较，发现两者之间有很好的匹配。在这次比较中，他们发现最适合的是一颗10，000个太阳质量的种子，它生长了几亿年。

“基于观察到的UHZ1的多波长特性与理论模型模板预测之间的良好一致性，我们认为UHZ1是第一个被探测到的OBG候选者，其红移得到了光谱确认，”作者在解释这一发现的论文中写道。“因此，作为第一个OBG候选者，UHZ1为早期宇宙直接坍缩形成沉重的初始种子提供了令人信服的证据。”

重的种子是如何促进黑洞生长的

超大质量黑洞的巨大尺寸并没有给科学家带来太多麻烦。这是因为这些宇宙巨人已经通过吸收周围的气体和尘埃以及与其他黑洞合并而成长了数十亿年。例如，银河系中心的人马座A* (Sgr A*)有足够的时间增长到太阳质量的450万倍。位于一个名为M87的星系中心的黑洞设法变得更大，大约是我们恒星质量的50亿倍。

但是，因为这些增长机制估计会发生数十亿年，所以发现类似的超大质量黑洞存在于大爆炸后仅5亿年至仅10亿年之间是具有挑战性的。那些质量聚集方法不会有足够的时间产生如此巨大的黑洞。然而，这正是天文学家用JWST和其他仪器研究早期宇宙时所发现的。

“这就像看到一个家庭走在街上，他们有两个六英尺高的青少年，但他们也有一个六英尺高的蹒跚学步的孩子。这有点问题。这个蹒跚学步的孩子怎么长得这么高？”约翰·里根，梅努斯大学的研究员，没有参与这项研究，告诉Space.com。“宇宙中的超大质量黑洞也是如此。它们是如何这么快变得如此巨大的？”

有一种理论认为，这些黑洞是从较小的黑洞“种子”成长起来的，从而在质量增长过程中领先一步

在这方面有两种主要的思路。一方面，专家认为超大质量黑洞可能是由质量约为太阳10到100倍的轻黑洞种子形成的。理论上，这些光种子将通过恒星质量黑洞产生的标准机制诞生，即宇宙第一代恒星的死亡和坍缩。

另一方面，早期的超大质量黑洞可能是从质量约为太阳质量10万倍的重种子黑洞发展而来的。这些黑洞可能是由大质量物质云的坍缩直接形成的，因此完全跳过了其他黑洞的“恒星阶段”。天文学家将这种黑洞称为直接坍缩黑洞(DCBHs)。

这些DCBHs随后会随着星系合并而增长，这在早期宇宙中很常见，也会为这些空洞带来气体和尘埃供应。最终，其他黑洞可能会与这些黑洞相撞并融合。

里根把这比作六英尺高的蹒跚学步的婴儿出生时有三英尺长。这仍然有点令人困惑(也许有点令人不安)，但它更好地解释了蹒跚学步的孩子是如何如此迅速地长到成人的尺寸的，至少比蹒跚学步的孩子一开始就有普通婴儿的长度要容易得多。

其他较小的黑洞种子预计不会产生obg，因此UHZ1作为这样一个星系的识别支持了重黑洞种子的存在，并为它们在早期超大质量黑洞增长中的作用提供了可信度。

然而，作者自己指出了他们研究的局限性，并敦促在推断UHZ1内黑洞的增长达到超大质量状态时要谨慎。他们还认为，这种生长的可能性在很大程度上取决于潜在种子所处的环境，有大量的气体和灰尘来支持它的生长。

在证实重种子黑洞的数量以及它们与婴儿宇宙中超大质量黑洞的联系之前，还有大量的研究必须进行，但这些发现至少代表了正确方向上的一步。

“随着JWST在未来的周期中探测到更多[遥远和早期]吸积黑洞，我们计划分析这些来源，用钱德拉研究可能的X射线对应物，并对obg和重播种物理学有更深入的理解，”该团队总结道。

“这一发现为重种子假说提供了更多的证据，”里根告诉Space.com。“结合已经观察到的其他JWST黑洞质量，我想说，证据的重量现在强烈指向超大质量黑洞增长的沉重种子场景。”

该团队的研究已提交给天体物理学杂志Letters，目前发表在论文资源库arXiv上。