当天文学家回顾宇宙历史的最初篇章时，他们发现了一大群巨大的黑洞，这些黑洞的成熟速度似乎比科学家们认为的要快得多。
普里亚姆瓦达·纳塔拉詹 就像一位宇宙生物学家。她研究这些早熟黑洞的生命，这些天体非常致密，以至于它们将所有物质和光线都囚禁在自己的掌控之中。作为一名天文学研究生，纳塔拉詹是最早将黑洞视为种群而非个体天体进行研究的人之一，她研究它们的总体分类和演化，就好像它们是雨林中的蝙蝠一样。现在作为耶鲁大学的天体物理学家，纳塔拉詹继续研究这些“动物”的行为，并且她已将重点转向理解它们是如何诞生的。
传统上，黑洞是在大型恒星爆炸后形成的，它们通过吞噬附近的气体库来增加质量。但是，对极早期宇宙中超大质量黑洞的一些观测表明，情况并非如此简单。2006年，纳塔拉詹和她的同事提出了一个激进的新解释，说明气体盘如何直接坍缩成异常巨大的婴儿黑洞，而无需先形成恒星。去年，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和钱德拉X射线天文台的联合观测发现了一个遥远而明亮的黑洞，这似乎最终证实了纳塔拉詹的预测。
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罗马 Sapienza 大学的天体物理学家 Raffaella Schneider 说：“这绝对是非常有力的证据，支持这些重黑洞种子。” “[纳塔拉詹] 提出这个想法确实帮助科学界扩大了我们对可能发生的各种可能性的看法。”
纳塔拉詹与《大众科学》大众科学 谈到了最近的观测如何支持她关于“直接坍缩黑洞”的提议，以及这些观测告诉我们关于这些天体起源的信息。
[以下是采访的编辑稿。]
是什么让您对研究黑洞及其起源感兴趣？
我一直被宇宙中看不见的实体所吸引。我的工作主要集中在从根本上理解宇宙中这些黑暗成分的本质——暗物质和暗能量，以及黑洞。我发现这些天体非常具有吸引力且神秘莫测。它们提醒我们知识的局限性，以及已知物理定律失效的地方。
在过去的几十年里，黑洞已经从一个纯粹的数学概念变成了我们可以观测到的真实天体，并且它们现在在我们理解星系如何形成的过程中占据了中心舞台。宇宙中到处都是各种大小的黑洞。它们是我们宇宙清单的重要组成部分，因此了解它们是如何形成的仍然是一个基本的未解之谜。
关于黑洞的形成，我们还有哪些不了解？
通常，黑洞是在恒星死亡时诞生的。当质量最大的恒星发生引力坍缩时，它们留下的微小内核就是一个黑洞。这是一个相当明确的已确立的起源故事。
有史以来探测到的最遥远的X射线黑洞位于星系UHZ1中，由NASA的钱德拉X射线天文台（紫色）成像，并结合了NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外数据（红色、绿色、蓝色）。
X射线：NASA/CXC/SAO/Á科斯·博格丹；红外线：NASA/ESA/CSA/STScI；图像处理：NASA/CXC/SAO/L.弗拉塔雷 & K.阿肯德
但是大约二十年前，当我们开始借助诸如斯隆数字巡天等任务向宇宙更深处和更遥远的时间回溯时，我们发现了一些非常巨大的黑洞——质量高达太阳的十亿倍左右——而当时宇宙只有一到二十亿年的历史。考虑到我们所知的黑洞吞噬物质的速度，根本没有足够的时间从第一批爆炸的恒星产生的微小种子生长成这些庞然大物般的黑洞。在接下来的几年里，我们开始看到这些不仅仅是一些奇怪的天体；在极早期宇宙中实际上存在着整个超大质量黑洞的种群。那时难题就开始出现了。
一些人开始探索黑洞是否有可能以远超已知极限的速度吞噬物质。理论上是可能的，但我们尚未看到令人信服的观测证据。所以我开始想，如果我们直接从更大的种子开始呢？我的团队和我意识到，如果气体盘受到来自附近星系恒星的辐射，它就可以绕过恒星形成过程并直接坍缩成黑洞。这种直接坍缩黑洞在诞生时会大得多——是太阳质量的 1,000 到 100,000 倍。然后，那个黑洞可以与附近的星系合并，并轻松增长到我们看到的尺寸。
这个提议在科学界反响如何？
我们受到了很多人的反对。他们说：“物理机制很巧妙，也说得通，但是这个过程的效率是否足够高，以至于实际上会在宇宙中发生呢？” 当时，宇宙的这些时期在观测上是无法触及的。为了观察这些初始种子的形成，我们需要回溯到宇宙形成后的最初十亿年。
这就是为什么 JWST 的前景如此诱人；它激励我们继续研究下去。我们开始思考可以寻找哪些迹象来作为直接坍缩黑洞的证据，并且我们想出了一个主意。在附近的星系中，所有恒星的质量通常是中心黑洞质量的 1,000 到 10,000 倍。但是在这些直接坍缩的情况下，在短暂的一段时间内，黑洞的质量实际上可能与恒星的质量相当。这意味着您应该看到一个极其明亮、活跃吞噬物质的黑洞，它基本上盖过了星系中所有恒星的光芒。如果我们能够用 X 射线和红外光观察其中一个星系，我们就会看到中心超大质量黑洞的独特特征。
然而，即使有了 JWST 和钱德拉，我们也无法看得足够远，以直接目睹早期黑洞种子的形成。但我意识到，如果大自然对我们仁慈，那么这些星系中的一个可能隐藏在放大镜后面：一个富含暗物质的星系团，它充当着戏剧性的引力透镜。我一直在使用哈勃太空望远镜绘制其中一些引力透镜的地图，我建议我们将我们的新望远镜对准这个名为阿贝尔 2744 的非常复杂的星系团。我对那张暗物质地图的每一部分都了如指掌。我抱有希望，但这真是一次冒险。
结果如何呢？
瞧，去年年初，我接到了同事、天体物理学家阿科斯·博格丹的电话，他看到了钱德拉对阿贝尔 2744 透镜背后星系的观测结果。他说：“你坐好了吗？我想我们发现了什么。” 非常巧合的是，一个星系的光谱与我们在 2017 年对假设探测所做的预测图谱惊人地吻合。这太令人震惊了。它符合每一个预测的属性。这是非常令人信服的证据，表明直接坍缩黑洞确实在早期宇宙中形成。这不再仅仅是猜测。
现在，可能仍然有其他形成黑洞种子的方法。这就是我接下来要研究的：尝试揭示其他途径以及它们独特的观测特征可能是什么。这打开了一个充满令人兴奋的问题的潘多拉魔盒。
我可以想象。最终在自然界中找到您想法的证据是什么感觉？
这正是我觉得作为一名天体物理学家如此激动人心的地方——我希望理论思想能够与观测数据相印证。我们正处在历史上的一个奇妙时刻，您可以做出预测，并且在您的一生中，它可以得到验证或证伪。这正是人们说我们生活在宇宙学黄金时代的原因。我对此深怀感激。