宇宙早期本不该出现超大质量黑洞

黑洞除了能吸收光线，还能吸引天文学家好奇的目光，它一直是天文领域的明星。

类星体（quasar）是早期宇宙中最耀眼的天体，现在一般认为，它耀眼的光芒是由于活动星系核（active galactic nucleus，AGN）中的超大质量黑洞（supermassive black hole，SMBH）吸积造成的，也正是其极高的亮度让我们能看到极远的类星体。近日，亚利桑那大学领导的一个天文团队就进一步打破了类星体距离的记录。而且在最远类星体的背后，这个诞生于大爆炸后6.7亿年的超大质量黑洞，还向当前的黑洞形成理论发起了挑战。

黑洞除了能吸收光线，还能吸引天文学家好奇的目光，它一直是天文领域的明星。一般认为，当恒星质量大于20个太阳质量时，会在演化末期发生超新星爆炸，而爆炸残余物就是一个黑洞，这样形成的黑洞不过5个太阳质量左右。想要得到星系中心的超大质量黑洞，最流行的假设是将这些黑洞视作“种子”，通过吸积物质、与其他黑洞合并不断成长。而近期发现的最远类星体，则在这种理论之外，验证了一种全新的黑洞形成理论。

遥远的类星体

现在我们都知道宇宙正在加速膨胀，离我们更遥远的天体会以更快的速度远离我们，它们发出的光也会由于多普勒效应而产生红移。而对于宇宙早期的天体，其红移z也能用于表示星系的距离——红移越高，对应的距离也就越远。迄今为止，只有三个类星体的红移z超过了7.5，全都是同一个团队发现的，其中新发现的J0313-1806就是本次的主角。

J0313-1806的红移达到了7.642，也就是离地球130.3亿光年远。我们今天看到的它发出的光，是在宇宙大爆炸后6.7亿年时发出的。它是目前人类发现的最遥远的类星体，比先前的纪录保持者远了2000万光年。

“类星体”这个名字来源于准恒星状电波源（quasi-stellar radio source）的缩写，20世纪50年代发现这种天体时，它们是可见光照片中类似恒星状态的微弱光点，被认定为未知的电波发射源。它们的亮度非常夸张，是银河系这样普通星系的数千倍。但是其发出的光变化非常迅速，由光速有限推断类星体的尺度不会超过太阳系。也就是说，数千倍于整个银河系的能量集中在太阳系大小的范围内，对此天文学家自然提出了多种假说，其中最广为接受的学说是：类星体是活动星系核中超大质量黑洞吸积造成的。

我们之所以能观测到这么遥远的类星体，重要的原因就是它拥有极高的亮度。J0313-1806的光度大约是1.4×1040W，相当于36万亿个太阳。据推测，其中心有一个16亿倍太阳质量的黑洞，大约是银河系中心黑洞人马座A*的400倍。这个超大质量黑洞平均每年吸入25个太阳质量的物质，剧烈的吸积除了让它能向其所在星系内吹出相对论性速度的炙热等离子风暴之外，也是它如此明亮的原因之一。

不过，也正是由于在遥远距离对应的宇宙早期发现了质量如此大的黑洞，暗示这个黑洞可能并不是按照传统的黑洞形成模型诞生的。

黑洞谜题

其实，对于超大质量黑洞是如何产生的，天文学家并没有确定的结论。如果是按照最流行的小黑洞吸积、合成成为大黑洞的方式，其实存在很多问题亟待解决。其中两个比较显著的问题就是中等质量黑洞问题和宇宙引力波背景问题。

目前已经确定质量的黑洞大多分为两类，一种是不到100倍太阳质量的恒星级黑洞，一种则是超过100万倍太阳质量的超大质量黑洞。而在100倍到100万倍中间，存在着一个巨大的缺口。如果超大质量黑洞是通过恒星级黑洞合并形成的，那我们就不可能找不到中等质量黑洞。不过幸运的是，LIGO在去年公布了他们在2019年首次发现的中等质量黑洞，这是由两个质量分别为85倍和66倍太阳质量的黑洞合并形成的142倍太阳质量的黑洞。随着LIGO的精度一步步提高，研究人员说不定能发现越来越多的中等质量黑洞，这个问题或许可以得到解决。

另一个问题是宇宙的引力波背景问题。如果超大质量黑洞是通过小黑洞一步步合并而来的，那么宇宙中必然充满了黑洞合并产生的引力波，其中也可能会有两个超大质量黑洞合并产生的引力波。许多引力波叠加成宇宙尺度的随机引力波背景，会对时空产生1年量级的周期性影响，通过对脉冲星进行精确周期测量可以检测出这种影响。脉冲星计时阵列十几年来鲜有进展，直到近期，北美纳赫兹引力波天文台（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，NANOGrav）在《天体物理学杂志快报》上发表论文，表明他们可能发现了1年量级的引力波背景。如果最终证实他们的数据不是由于误差引起的话，那么的确可能找到了来自超大质量黑洞合并的证据。

用脉冲星计时阵列或许能找到超大质量黑洞合并的证据 图片来源：NASA Goddard Space Flight Center

“大鱼吃小鱼”这种超大质量黑洞形成理论虽然并没有获得决定性的证据，但至少看上去可能刚刚有所进展。并且由于精度问题，引力波的探测范围也不可能覆盖到宇宙早期的原初种子黑洞。就算这些进展都非常可靠，对于宇宙早期超大质量黑洞的形成，它们都是无能为力的。但J0313-1806却斩钉截铁地告诉我们，它所包含的黑洞源于不同的过程，而不可能是从小黑洞一步一步合并而来的。

直接形成的黑洞

亚利桑那大学哈勃学者、该研究论文的主要作者王飞格指出：“由第一代大质量恒星形成的黑洞，不可能在几亿年内长到如此大的质量。”

从小质量成长为大质量黑洞是一个非常缓慢的过程，根据他们的计算，就算这个黑洞早在宇宙大爆炸后1亿年就已经形成，那么它至少也需要一个拥有1万个太阳质量的种子黑洞。但是对于极早期的宇宙来说，第一代恒星产生的黑洞质量最大也不会超过几百个太阳质量，所以这个超大质量黑洞不可能是由小质量的种子黑洞长成的。

论文合著者，亚利桑那大学天文系副主任樊晓晖教授表示：“这告诉你无论怎样，这个黑洞的‘种子’必须以不同的机制形成。对于此次的黑洞，需要大量原初的、冷的氢分子气体直接塌缩成一个种子黑洞。”

这是一种于2006年提出的黑洞形成理论。暗物质晕中在宇宙大爆炸核合成时期就形成的原初气体，在引力自束缚的条件下，由于失控的全局动力学不稳定性，快速失去角动量向中心坍塌。压缩导致的高压环境的确会点燃其中的核聚变，但整个系统质量太过庞大，中心温度过高，其散热机制和恒星形成时存在巨大差异。中微子辐射在这一阶段散热非常有效，快速冷却核心，从而导致中心黑洞的形成和快速生长。这种机制不需要以第一代恒星为原料，是唯一一种允许类星体J0313-1806中的黑洞在宇宙早期成长到16亿倍太阳质量的机制。

J0313-1806的质量成长起点已经不可避免的落入了直接坍塌黑洞（direct-collapse black hole，DCBH）的范围 图片来源：Feige Wang et al 2021 ApJL 907 L1

虽然直接由原初气体塌缩形成的黑洞和流行的说法并不一致，但王飞格也没有完全否定这种“大鱼吃小鱼”的方式，只是给出了另一种黑洞形成机制的可能。“对于我们近邻宇宙中的超大质量黑洞（比如银河系中心的黑洞），我相信很多是由小质量的黑洞逐渐合并形成的，”王飞格这样表示，“当然我们目前还缺少直接的观测证据。”

除了研究黑洞本身的形成机制外，最远类星体也是研究黑洞如何影响其宿主星系的好机会。类星体会在其宿主星系中产生高速星风，而J0313-1806的星风速度甚至高达20%光速。亚利桑那大学的博士后研究员（Strittmatter学者）杨锦怡说：“如此极端高速的外向流释放的能量足以影响整个类星体宿主星系。”理论认为类星体的外向流会抑制其宿主星系中的恒星形成，而该类星体宿主星系中的恒星形成率仍然很高，高达每年200个太阳质量，而银河系大约只有1个。这其中的缘由值得进一步探索。

可以肯定的是，未来的观测还能为我们揭开更多关于类星体的秘密，特别是计划于今年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）。天文学家也希望未来能对宇宙早期的超大质量黑洞进行更深入的研究，了解更多类星体外向流对其宿主星系的影响，并进一步探索早期宇宙中的大质量星系是如何形成的。

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