比例——想想黄金比例及其同类——是我们现实的基石，存在于从音乐到宇宙结构的万事万物中。辨别它们是我们对世界经验认知的来源。利用比例也使得隐藏的事物得以显现，其方式近乎神奇。在地球上，古生物学家可以通过挖掘出一块股骨来估计一种早已灭绝的恐龙的大小——因为部分与整体成比例。在天空中，天文学家已经发现并利用了许多类似的关系——从行星系统的结构到星系的聚集——以更深入地了解宇宙。
然而，有时，比例可能提供的最深刻的见解来自不和谐而不是和谐。一个最新的例子来自詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），它刚刚揭示了宇宙中一种意想不到的不成比例，这种不成比例可能会启发我们了解第一批黑洞的诞生。
近几十年来，观测表明，超大质量黑洞（质量是太阳的数百万或数十亿倍）位于大型星系的中心，包括银河系。在附近的宇宙中，存在着一个优雅的比例：每个中心黑洞的质量约为每个宿主星系恒星质量的0.1%，即千分之一。
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这真是太了不起了。想象一下，一架钢琴，其中的音高代表质量：高音高意味着高质量，低音高表示低质量。在宇宙礼堂柔和的光芒中，一个高音符预示着一个巨大星系的出现！然后，一个低音符：一个黑洞物质化了！对于银河系和环绕它延伸至数十亿光年的绝大多数大型星系来说，黑洞和星系音高之间1000倍的差异大约为10个八度音阶。这个范围大于钢琴所能产生的范围。令人惊讶的是，JWST对距离我们更遥远的宇宙（以及考虑到光速有限，时间上更久远）的研究表明，黑洞和星系正在调谐到完全不同的和谐之中。那些遥远、古老时代的星系包含的黑洞质量是当今宇宙中类似星系中发现的黑洞质量的10到100倍。在我们的音高类比中，它们之间的差距只有三个八度音阶——暗示着一首可以在钢琴上轻松演奏的宇宙奏鸣曲。
正如天体物理学家所说，与我们今天在周围星系中发现的黑洞相比，这些遥远的黑洞相对于其宿主而言是“质量过大的”。许多JWST观测，例如JADES和CEERS巡天中的观测，现在都支持这个结论。我们正在见证一批生长过快超出其摇篮并在遥远的比预期更快地蓬勃发展的早期宇宙中的婴儿黑洞。目前观测到的最遥远、最早的黑洞记录保持者GN-z11，也符合这一令人惊讶的趋势，天文学家甚至发现了另一个遥远、早期宇宙的黑洞，其质量可能与其宿主星系一样大。
为什么黑洞及其星系家园的相对质量会因其位于遥远宇宙还是附近宇宙而不同？JWST的数据表明，黑洞最初的质量与其宿主相似。然后，经过数十亿年的时间，黑洞及其星系调整了它们的音高，最终达到了我们在本地星系中看到的优美而不和谐的10个八度音阶的旋律。黑洞和星系竟然能够“交流”，这真是令人震惊。尽管黑洞拥有巨大的力量，但与它们的星系家园相比，它们仍然微不足道。如果您想象一个典型的超大质量黑洞的事件视界只有蚂蚁那么长，那么它的宿主星系的半径几乎无法容纳在纽约市和洛杉矶之间的空间中。也就是说，这些“蚂蚁”正在以某种方式影响着相当于美国大陆的周围区域。科学家们知道，这些截然不同的领域之间的“沟通渠道”涉及到中心黑洞释放的巨大能量，这有效地调节了星系形成新恒星的速度，并设定了1:1000的黑洞/星系质量比。但是，关于这种混乱而神秘的机制，许多关键细节仍然未知。
为什么这个比例在早期宇宙中不起作用？为什么当时的音乐如此不同？这些问题的含义正在冲击着天体物理学的根基，因为我们首次通过JWST观察到黑洞形成和与星系共同演化的早期时刻。最近的一些研究认为，这些观测为某些黑洞是大质量诞生的提供了迄今为止最好的证据。也就是说，与大多数黑洞不同，后者是垂死的大质量恒星留下的相对轻量级的残余物，这些黑洞必定是从早期宇宙中充满的巨大气体云的直接坍缩中形成的，从而产生了从一开始就比任何恒星都重得多的庞然大物。如果这是真的，那么这种越来越有理有据的推测最终将回答天体物理学家经典的“先有鸡还是先有蛋”的问题：是中心超大质量黑洞先形成，还是它们的宿主星系先形成？到目前为止，JWST的观测表明，大质量黑洞先出现，星系恒星形成随后开始。
最后，我们为什么现在才发现早期宇宙星系系统的这种令人惊讶的特性？答案是我们刚刚获得了必要的“电子眼睛”来看到它们：JWST擅长观测不仅遥远而且暗淡的宇宙物体。它可以独特地研究更年轻的黑洞，这些黑洞非常接近宇宙的黎明时期，质量为数百万而不是数十亿个太阳质量，而其他望远镜在几代人的时间里一直在常规地观测着那些庞大的重量级黑洞。黑洞越小，它向外辐射的光就越微弱。JWST现在探测到的“较轻的超大质量”黑洞无法像研究人员已经熟悉的较大黑洞那样，盖过其宿主星系的光芒。因此，对于这些较小、较年轻的物体，我们可以看到属于其宿主星系的星光，同时也可以测量它们的质量。正如但丁所写，JWST前所未有的力量使我们站在了解决天体物理学最深刻的谜团之一——星系及其超大质量黑洞的起源——的边缘，这仅仅是通过让我们再次看到星星。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。