比太陽重5000萬倍：這個黑洞打破了星系形成規則

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在一個幾乎沒有恒星的星系中發現了一個質量達5000萬倍太陽的天體，迫使天文學家重新思考黑洞的起源。

當天文學家觀測宇宙早期時，他們通常不會預期看到完全成熟的宇宙天體，而應是仍在艱難成長的小型星系、年輕恒星和黑洞。

然而，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的最新觀測卻揭示了完全出乎意料的現象——一個巨大的黑洞幾乎完全孤零零地存在，周圍幾乎沒有任何恒星。

這個天體位于名為Abell 2744-QSO1的星系中，形成于大爆炸后僅7億年，質量卻已達到太陽的約5000萬倍。

它的存在挑戰了黑洞誕生的基本理論，并提出了一個有趣的可能性：某些黑洞可能在恒星形成之前就已存在。

研究作者之一、劍橋大學博士后研究員劉博淵表示：“這是一個謎題，因為傳統理論認為恒星會先形成，或與黑洞同時形成。”

打破規則的宇宙天體

在標準天體物理學中，黑洞與恒星緊密關聯。恒星由坍縮的氣體云形成，而黑洞則要在最大質量的恒星耗盡燃料后很久才會出現。

隨著時間的推移，這些黑洞通過吸積氣體或相互合并逐漸成長。這一過程需要時間，因此天文學家難以解釋為何在宇宙歷史如此早期就出現了質量極大的黑洞。

而宿主星系QSO1讓這個問題更加棘手。它包含的恒星質量極少，這意味著沒有足夠的恒星來解釋如此巨大黑洞的存在。

研究作者指出，這構成了一個根本性矛盾：黑洞似乎在沒有首先構建正常星系的情況下就長得如此巨大。

驗證一個比發現本身更古老的理論

為了探索這一謎題，研究人員轉向了一個數十年前提出但從未被證實的理論——原始黑洞。這一假想天體由斯蒂芬·霍金和伯納德·卡爾在1970年代提出。

原始黑洞并非由垂死恒星形成，而是可能直接誕生于大爆炸后不久宇宙中的極端密度漲落。如果這類黑洞形成，大多數本應體積極小且壽命短暫。

但劉博淵團隊研究了是否有一小部分原始黑洞能在適宜條件下存活并快速成長。他們建立了新的、更復雜的模擬，追蹤初始原始黑洞周圍氣體的行為、后期恒星如何在其附近形成，以及恒星死亡后的物質如何滋養這個成長中的天體。

在這些模擬中，研究人員從一個質量約為太陽5000萬倍的原始黑洞種子開始，隨后追蹤氣體如何流入其中、恒星如何在附近形成，以及恒星爆發如何隨時間將物質反饋給不斷增長的黑洞。

與早期簡化模型不同，這些模擬同時考慮了多個相互作用的過程。當團隊將模擬結果與真實的韋伯望遠鏡數據對比時，發現高度吻合——不僅在最終黑洞質量上，也在QSO1周圍探測到的少量恒星和化學元素組成上。

劉博淵補充道：“在常規（黑洞形成）理論難以解釋這些新觀測的情況下，早期宇宙中存在大質量原始黑洞的可能性變得更可接受。”

黑洞變得更加引人深思

這些發現并未證明QSO1中的黑洞起源于原始黑洞，但表明這種起源與觀測結果一致。研究人員認為這令人鼓舞，因為標準模型對這一天體完全束手無策。

接下來，他們計劃優化模擬，并將其與未來韋伯望遠鏡的發現進行對比。如果發現更多類似QSO1的星系，或許能提供關鍵證據，表明宇宙中某些最大的黑洞并非恒星演化的終產物，而是誕生于宇宙黎明之初。

然而，一些問題仍有待解決。例如，典型的原始黑洞模擬很少能產生超過一百萬倍太陽質量的天體，遠小于QSO1中觀測到的約5000萬倍太陽質量黑洞。

這意味著在通常假設下，原始黑洞很難快速成長到足以解釋如此極端的天體。

一種可能的解釋是，原始黑洞可能在早期宇宙中以密集群體的形式形成，使它們能更快地相互合并并增加質量——但這一過程仍不確定且難以模擬。

另一個未解決的問題是，原始黑洞的形成可能需要高能輻射的強烈爆發——而目前在QSO1附近尚未發現此類輻射源。

該研究已發表于預印本平臺arXiv。

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！