科学家可能最终知道宇宙中最大、最古老的黑洞来自哪里

独孤一山隙

早期黑洞插图。(图片来源:美国国家航空航天局/JPL加州理工学院)

（）据生活科学（保罗·萨特）：如何在早期宇宙中建立一个巨大的黑洞？一项反直觉的新预印本研究提出，从大量小公司的爆发开始。

大量的观测，特别是用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）进行的观测，已经揭示了铁一般的证据，证明年轻的宇宙中充满了难以置信的大质量黑洞。尽管天文学家无法直接看到黑洞，但他们确实观察到了类星体——由超大质量黑洞提供动力的超明亮物体。当物质落到这样一个巨大的黑洞上时，物质会压缩并升温，释放出巨大的能量。事实上，类星体是整个宇宙中最强大的引擎，能够一次超越数千个星系，并持续数百万年。

天文学家可以从整个宇宙中看到这些巨大的宇宙灯塔，包括在恒星和星系形成的最早时期。已知最古老的类星体存在于我们的宇宙只有几亿岁的时候。旧类星体的存在意味着超大质量黑洞也必须存在，但这一想法对我们目前对星系增长的理解构成了挑战。据我们所知，制造黑洞的唯一方法是通过大质量恒星的死亡。但是它们留下的黑洞质量只有太阳的几倍。要形成类星体，黑洞的质量必须至少是太阳的几百万倍。

但是类星体在宇宙记录中出现得太早了，以至于没有足够的时间让第一批恒星诞生和死亡，然后让它们的残余黑洞合并并积累气体增长到超大质量状态。

为了解开这个谜，加州大学洛杉矶分校和东京大学的一组天文学家提出，也许是微小的黑洞帮助了这个过程。他们的研究发表在预印本数据库arXiv上，但尚未提交同行评审。

在早期宇宙中构建巨型黑洞的一种潜在方法是跳过整个恒星形成过程，让巨大的氢气云自行直接坍缩成黑洞。要让一团巨大的氢云坍缩，你必须消除它的热量。但是冷氢有一个令人讨厌的习惯，即从自由氢原子变成双原子氢分子。

氢分子真的很擅长通过发射辐射来冷却自己。事实上，太好了。在传统的情况下，在原子氢气云有机会坍缩成单个黑洞之前，它分裂成许多更小的分子氢袋，每个分子氢袋都坍缩，形成一堆恒星。

诀窍是让巨大的氢云冷却下来——但不要太快，以免整个东西变成一个超大质量黑洞。新的研究推断，这就是微小黑洞的救援之处。

在大爆炸的最初几秒钟内，早期宇宙的物理学是如此激烈，以至于宇宙可能直接产生了无数个小黑洞，这些黑洞是通过时空本身的泡沫和沸腾的泡沫形成的。然而，这些小黑洞不会永远存在；它们通过霍金辐射的发射而蒸发，可能只有一小部分存活至今。

但是在宇宙的早期，第一批恒星、星系和黑洞可能要丰富得多。当它们蒸发时，它们发出辐射，研究人员发现这些小黑洞可以释放恰到好处的热量，以防止巨大的气体云分裂成分子氢团，从而使气体云缓慢而稳定地坍缩成一个巨大的黑洞。

这个结果很有趣，因为它没有引发更多奇异形式的能量释放或新的自然力量的加入。它还表明，即使是相对简单的物理学也可以在早期宇宙中以奇怪和陌生的方式相互作用。

研究人员希望通过更全面的模拟来跟进他们的初步研究，看看他们的模型是否能在早期宇宙中产生正确的巨型黑洞丰度，并寻找JWST等望远镜可以用来验证这一想法的观测线索。