▲ 圖中放大部分為此次發現的黑洞所在的遙遠星系GN-z11（圖片來源：NASA/ESA）。
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科學家發現了迄今最古老的黑洞，可以追溯到大爆炸之後4億年，在如此早期的宇宙中形成如此大的黑洞，對現有的黑洞形成理論提出了挑戰。
文｜南方週末特約撰稿 鞠強
責任編輯｜朱力遠
黑洞是宇宙中最神秘的天體，其形成和演化是天體物理學中的研究熱點。得益於不斷提升的觀測能力，天文學家一直在宇宙的歷史中向前回溯，尋找宇宙早期形成的黑洞，由此對黑洞的誕生進行更加深入的研究。
2024年1月17日，一個由英國劍橋大學領導的國際研究團隊在《自然》（Nature）上發表論文，宣佈他們利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）發現了迄今為止已知最古老的黑洞，其歷史可以追溯到宇宙的“黎明時期”，即大爆炸發生後約4億年，距今約為134億年。
研究人員認為，在這樣早期的宇宙中形成如此大的黑洞，對現有的黑洞形成理論提出了挑戰。這篇論文的第一作者、劍橋大學卡文迪什實驗室和科維理宇宙學研究所教授羅伯託·馬約利諾（Roberto Maiolino）稱這個發現是“一個巨大的飛躍”。
個頭與年齡不符
這個黑洞所在的宿主星系編號為GN-z11，距離地球約134億光年。這是一個緻密星系，大小隻有大約銀河系的一百分之一。研究人員發現，這個黑洞正在猛烈地吞噬其宿主星系，從而阻止星系的生長，這也是這個星系這麼小的原因。
黑洞無法被直接探測到，研究人員透過探測形成於黑洞邊緣附近、圍繞黑洞旋轉的漩渦狀吸積盤來確認黑洞的存在。當黑洞吞噬周圍的氣體時，吸積盤中的氣體溫度極高，會發出可見光並向外輻射能量。天文學家透過探測強烈的光和輻射訊號來間接探測黑洞。例如，事件視界望遠鏡（EHT）釋出的黑洞照片實際上顯示的是圍繞目標黑洞的吸積盤的形象。
這次觀察到的這個黑洞質量約為太陽質量的600萬倍，當這樣的超大質量黑洞如宇宙中的饕餮一樣大快朵頤時，會產生一個推力將附近的部分氣體以極快的速度推遠，這種高速噴流會逐漸清除黑洞周圍即星系中心的氣體和塵埃。寒冷的氣體和塵埃雲坍縮之後形成恆星，這就意味著黑洞在吞噬氣體的同時給星系中恆星的形成過程踩下了剎車，阻止了星系的生長，並最終把星系推向演化的終點。與此同時，這也會切斷黑洞自身的“食物來源”，黑洞的生長過程也最終會停止。
根據目前黑洞形成的主流模型，超大質量黑洞來自死亡恆星的遺蹟，這些恆星在生命末期坍縮後會形成質量大約為100倍太陽質量的黑洞。天文學家相信，根據這個模型，那些棲居於星系中心的超大質量黑洞，比如我們銀河系中心的黑洞，需要用數十億年的時間來吞噬足夠多的物質才能長到現在的大小。對這次觀察到的這個黑洞來說，生長時間也需要10億年左右。然而，這個黑洞的誕生距離宇宙大爆炸只有4億年，有著與自身年齡不相符的個頭。
馬約利諾在劍橋大學官網上表示：“在非常早期的宇宙中看到這樣大質量的黑洞，我們就要考慮黑洞形成的其他可能的方式。在非常早期的星系中充滿大量的氣體，它們對黑洞來說就像是一頓豐盛的自助餐。”
生得大還是長得快
研究人員認為，如果想解釋這個已知最古老黑洞的大小，有兩個可行的思路：一個是這些黑洞生來就大，比由恆星坍縮形成的黑洞大得多；或者它們長得快，因為研究人員發現這個黑洞吞噬物質的過程遠比晚些出現的黑洞劇烈得多，速度能達到此前理論估計速度的5倍。
兩個思路中的前者被稱作“重黑洞種子理論”。在這個理論中，黑洞形成可以跳過恆星坍縮後用數億年吞噬物質並長大這個步驟，而是由巨大的寒冷氣體和塵埃雲坍縮然後直接形成一個重黑洞種子（heavy black hole seed），這個“種子”的質量是太陽質量的數百萬倍。這樣就相當於給可能長達數十億年的黑洞演化過程按下快進鍵，在黑洞種子成長為超大質量黑洞的過程的一開始就佔據領先。這個黑洞所具有的大質量也支援這樣的理論。
第二個思路也具有競爭力。正如觀測結果顯示的那樣，這個黑洞吞噬物質的速度要顯著快於在早期宇宙中已經發現的其他黑洞吞噬物質的速度，這可以成為支援“小黑洞種子理論”的證據。研究團隊估計，如果這個黑洞能夠以這樣的速度“狼吞虎嚥”達到1億年的話，那麼它在形成之初就不必非要有一個重黑洞種子。他們認為，在大爆炸發生之後的2.5億至3.7億年間，這個黑洞可以起源於一個輕得多的恆星質量的黑洞種子，然後快速增長到天文學家觀測到的大小。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡是有史以來耗資最大的空間望遠鏡，備受天文學界的期待，而它在發射升空之後一年多的時間裡已經在不斷給天文學家帶來驚喜。馬約利諾表示：“這個一個新的紀元，在靈敏度特別是在紅外波段實現了一次巨大的飛躍，就像在一夜之間從伽利略的望遠鏡升級到現代望遠鏡。在詹姆斯·韋布空間望遠鏡之前，當去探索哈勃空間望遠鏡探測範圍之外的宇宙時，我覺得也許沒那麼有趣，但情況完全不是這樣——宇宙正在展示給我們相當豐富的內容，而這還僅僅只是開始。”
詹姆斯·韋布空間望遠鏡具備的強大觀測能力，意味著在未來數月或者數年的時間裡，它可能會發現更加古老的黑洞。馬約利諾和他的研究團隊希望在未來使用這些觀測資料去發現更小的黑洞種子，這將幫助他們真正搞清這些黑洞形成的方式——究竟是生來就大還是長得更快？