发现破纪录的黑洞

雨落润田

在宇宙的138亿年历史中，星系自诞生后便一直在演化。今天我们知道，在几乎所有的星系中心，都隐藏着一颗超大质量黑洞——这些黑洞的质量是太阳质量的数十万倍，甚至数十亿倍。但天文学家不清楚的是，这些超大质量黑洞究竟是如何形成的。

银河系中心的超大质量黑洞。（图/EHT Collaboration）

在一项新发表于《自然·天文学》的研究中，一个国际天文学家团队通过结合来自韦布空间望远镜（JWST）和钱德拉X射线天文台的数据，发现了迄今为止离我们最遥远的黑洞。

这个巨大的黑洞可以追溯到大爆炸发生仅4.7亿年后，这一发现对于理解宇宙中的第一批超大质量黑洞是如何在大爆炸后快速达到如此巨大的质量的至关重要。

古老的X射线

在过去的一年多时间里，JWST已经帮助天文学家确认了宇宙中已知的最古老的一批星系。这让一些天文学家不禁想知道，在那些古老的星系中心，是否也像现代星系一样拥有超大质量黑洞？

为了回答这个问题，在新的研究中，研究人员梳理了由JWST观测到的11个在大爆炸后不到10亿年的时间里就存在的星系。在一个名为UHZ1的星系中心，他们似乎发现了这样一个黑洞。这个星系位于距离地球35亿光年的Abell 2744星系团方向。但JWST的数据显示，UHZ1比星系团要远得多，距离地球约132亿光年。

接着，研究人员选择借助钱德拉X射线天文台来寻找星系中的超大质量黑洞。在进行了两周的观测之后，他们探测到了来自UHZ1的X射线。这表明在星系UHZ1的中心，的确存在一个不断增长的超大质量黑洞。

从UHZ1发射出的X射线信号非常微弱，之所以能够被钱德拉X射线天文台探测到，是因为研究人员还利用了一种被称为引力透镜效应的现象，将X射线信号放大了近四倍。

图中的紫色部分显示了Abell 2744星系团中大量热气体所发射的X射线。红外图像显示了星团中的数百个星系，以及一些前景恒星。放大的插图显示的是以星系UHZ1为中心的一小片区域。（图/Chandra & JWST）

超大质量黑洞的形成

关于超大质量黑洞究竟是如何形成的，一直存在两种说法：一种观点认为，宇宙中的第一代恒星非常大，它们可以爆炸形成质量为10~100倍太阳质量的黑洞，然后这些黑洞会通过并合迅速成长，并吞噬早期星系中存在的稠密气体。另一种观点则认为，超大质量黑洞是在宇宙历史的早期，直接由巨大的气体云坍缩形成的，质量为太阳质量的1万到10万倍。

大质量气体云直接坍缩形成种子黑洞。（图/NASA/STScI/Leah Hustak）

通过计算，研究人员发现，UHZ1中的黑洞的质量至少是太阳质量的10⁷倍，约占星系质量的一半。这与我们在附近宇宙中的星系中心发现的黑洞形成鲜明对比，通常这些星系中心的超大质量黑洞大约只占星系质量的0.1%。

天文学家Priyamvada Natarajan是新论文的作者之一，2017年，他提出理论，认为“质量过大的黑洞”是由巨大的气体云坍塌直接形成的。UHZ1中心的超大质量黑洞在早期时就具有如此巨大的质量，加上它所产生的X射线量以及JWST探测到的星系的亮度，都与Natarajan的理论预测一致。

需谨慎对待的第一个结果

研究人员认为，这是迄今为止证明一些超大质量黑洞是由巨大的气体云直接坍缩形成的最佳证据。但鉴于这是天文学家所能进行这种分析的第一个超大质量黑洞，谨慎对待这一结果是很有必要的。

随着JWST和其他望远镜收到越来越多关于早期星系的数据，天文学家很有可能绘制一幅更大的早期宇宙图景，进而得到一系列可进行分析的早期黑洞群。这最终将有望让他们更清楚地了解早期黑洞的形成和演化。