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哈勃的研究表明，早期宇宙中的黑洞比我們想象的要多

宇宙


哈勃的研究表明，早期宇宙中的黑洞比我們想象的要多


黑洞的渲染（圖片來源：瓦迪姆·薩多夫斯基via Shutterstock）
據《對話》（Matthew J.Hayes）：超大質量黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也是最可怕）的物體之一，質量大約是太陽的十億倍 。我們知道他們已經存在很長時間了 。
事實上，天文學家已經探測到位于星系中心的極其明亮的致密源，稱為類星體（快速增長的超大質量黑洞） ， 當時宇宙的年齡還不到10億年 。
現在 ， 我們發表在《天體物理學雜志快報》上的新研究利用哈勃太空望遠鏡的觀測結果表明，早期宇宙中的黑洞比之前的估計要多得多（發光更少） 。令人興奮的是，這可以幫助我們理解它們是如何形成的，以及為什么它們中的許多看起來比預期的要大 。
黑洞通過吞噬周圍的物質而生長，這一過程被稱為吸積 。這會產生大量的輻射 。這種輻射的壓力從根本上限制了黑洞的生長速度 。
因此，科學家們在解釋這些早期的大質量類星體時面臨著一個挑戰：在沒有太多宇宙時間的情況下，它們要么生長得比物理上可能的更快，要么出生時質量驚人 。
輕種子與重種子
但是黑洞是如何形成的呢？存在幾種可能性 。首先，所謂的原始黑洞自大爆炸后不久就存在了 。雖然對于低質量黑洞來說是合理的，但根據宇宙學的標準模型，大質量黑洞不可能大量形成 。
黑洞肯定會在一些正常大質量恒星短暫生命的最后階段形成（現在已被引力波天文學證實） 。如果這些黑洞形成在恒星和黑洞可能合并的極其密集的星團中，原則上它們可以快速生長 。正是這些黑洞的“恒星質量種子”需要生長得太快 。

哈勃的研究表明，早期宇宙中的黑洞比我們想象的要多


Westerlund 1星團 。（圖片來源：美國國家航空航天局）
另一種選擇是，它們可能由“重種子”形成，其質量大約是已知大質量恒星的1000倍 。其中一種機制是“直接坍縮”，在這種機制中，被稱為暗物質的未知、不可見物質的早期結構限制了氣體云，而背景輻射阻止了它們形成恒星 。相反，它們坍塌成了黑洞 。
問題在于，只有少數暗物質暈長得足夠大，可以形成這樣的種子 。因此，只有當早期黑洞足夠罕見時，這才能作為一種解釋 。
黑洞太多了
多年來，我們對宇宙時間的前十億年中存在多少星系有了很好的了解 。但在這些環境中發現黑洞是極其具有挑戰性的（只有發光類星體才能被證明） 。
盡管黑洞通過吞噬周圍的物質來生長，但這并不是以恒定的速度發生的——它們將食物分解成“食物”，這使得它們的亮度隨著時間的推移而變化 。我們在15年的時間里監測了一些最早的星系的亮度變化，并利用這一數據對那里有多少黑洞進行了新的普查 。
事實證明，普通早期星系中存在的黑洞數量是我們最初想象的幾倍 。
最近，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的其他開創性工作也開始得出類似的結論 。總的來說，我們擁有的黑洞比直接坍縮形成的要多 。
還有另一種更奇特的形成黑洞的方法，可以產生巨大而豐富的種子 。恒星是由氣體云的引力收縮形成的：如果在收縮階段可以捕獲大量的暗物質粒子，那么內部結構就可以完全改變，從而防止核點火 。
因此，增長的持續時間可能比普通恒星的典型壽命長很多倍 ， 使它們變得更加巨大 。然而，就像普通的恒星和直接坍縮的物體一樣，沒有任何東西最終能夠承受強大的引力 。這意味著這些“暗恒星”最終也會坍縮形成巨大的黑洞 。
我們現在認為，在嬰兒宇宙中觀察到的大量黑洞應該已經發生了類似的過程 。
未來計劃
在過去的兩年里，對早期黑洞形成的研究發生了轉變 ， 但從某種意義上說，這一領域才剛剛開始 。
太空中的新天文臺 ， 如歐幾里德任務或南希·格雷斯·羅馬太空望遠鏡，將填補我們早期對較暗類星體的普查 。澳大利亞和南非的NewAthena任務和平方公里陣列將解開我們對早期圍繞黑洞的許多過程的理解 。
但這確實是我們近期必須關注的JWST 。憑借其成像和監測的靈敏度以及能夠看到非常微弱的黑洞活動的光譜能力，我們預計在未來五年內，隨著第一批星系的形成 ， 黑洞的數量將真正確定下來 。
我們甚至可以通過目睹與第一批原始恒星坍縮相關的爆炸來捕捉黑洞的形成過程 。模型表明這是可能的，但這需要天文學家的協調和專注 。