首批黑洞之谜

想象一下宇宙的婴儿期。大多数科学家认为空间和时间起源于宇宙大爆炸。从那炽热而稠密的开端，宇宙膨胀并冷却，但恒星和星系需要一段时间才能开始点缀天空。直到大爆炸后约38万年，原子才能结合在一起，并用主要由氢气组成的气体填充宇宙。当宇宙只有数亿年历史时，这种气体聚结成最早的恒星，这些恒星在星团中形成，星团聚集在一起形成星系，其中最古老的星系出现在宇宙诞生后4亿年。令科学家惊讶的是，他们发现另一类天文物体也开始在这个时候出现：类星体。

类星体是由气体落入超大质量黑洞提供能量的极其明亮的天体。它们是宇宙中最明亮的天体之一，在最遥远的太空深处也可见。最遥远的类星体也是最古老的，其中最古老的类星体构成了一个谜。

为了在如此难以置信的距离上可见，这些类星体必须由包含约十亿倍太阳质量的黑洞提供能量。然而，传统的黑洞形成和增长理论表明，一个足够大以驱动这些类星体的黑洞不可能在不到十亿年的时间内形成。然而，在2001年，通过斯隆数字巡天，天文学家开始发现更早期的类星体。已知最古老和最遥远的类星体于2021年1月宣布，存在于大爆炸后仅6.7亿年。换句话说，宇宙历史中似乎没有足够的时间来形成像这样的类星体。

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许多天文学家认为，最早的黑洞——种子黑洞——是第一代恒星的遗迹，是恒星爆炸成超新星后留下的尸骸。然而，这些恒星遗迹应该不超过几百个太阳质量。很难想象一个情景，即驱动第一批类星体的黑洞是从如此小的种子中生长出来的。

为了解决这个谜题，十多年前，我和一些同事提出了一种方法，可以形成足够大的种子黑洞来解释第一批类星体，而无需恒星的诞生和死亡。相反，这些黑洞种子将直接由气体形成。我们称它们为直接坍缩黑洞（DCBHs）。在合适的条件下，直接坍缩黑洞可能在大爆炸后的数亿年内诞生，质量达到10⁴或10⁵个太阳质量。有了这个先发优势，它们可以很容易地增长到10⁹或10¹⁰个太阳质量，从而产生困扰天文学家近二十年的古老类星体。

问题是这种情况是否真的发生过。幸运的是，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）计划于今年晚些时候发射，我们应该能够找到答案。

最初的种子

黑洞是神秘的天文物体，是引力非常巨大的区域，它扭曲了时空，以至于连光都无法逃脱。直到类星体的探测，才使天文学家能够看到落入黑洞的物质发出的光，我们才有了证据表明它们是真实存在的物体，而不仅仅是爱因斯坦广义相对论预测的数学上的奇点。

大多数黑洞被认为是在非常巨大的恒星——质量是太阳质量10倍以上的恒星——耗尽核燃料并开始冷却并因此收缩时形成的。最终引力获胜，恒星坍缩，引发灾难性的超新星爆炸，并留下一个黑洞。天文学家传统上认为，驱动第一批类星体的大多数黑洞也是这样形成的。它们可能诞生于宇宙第一代恒星（第三星族星）的消亡，我们认为第三星族星是在原始气体冷却并分裂后，在大爆炸后约2亿年形成的。第三星族星可能比在后期宇宙中诞生的恒星质量更大，这意味着它们可能留下质量高达数百个太阳质量的黑洞。这些恒星也可能在密集的星团中形成，因此它们死亡时产生的黑洞很可能合并，从而产生数千个太阳质量的黑洞。然而，即使是如此大的黑洞，也远小于驱动古代类星体所需的质量。

理论还表明，所谓的原始黑洞可能在宇宙历史的早期就已经出现，当时时空可能在一个称为暴胀的过程中呈指数级膨胀。原始黑洞可能从宇宙密度中的微小波动中合并而来，然后随着宇宙的膨胀而增长。然而，这些种子的重量仅在10到100个太阳质量之间，与第三星族星遗迹面临同样的问题。

作为对第一批类星体的解释，每种黑洞种子形成途径都存在相同的问题：种子必须在宇宙历史的最初十亿年内以非常快的速度生长，才能形成最早的类星体。而我们对黑洞增长的了解告诉我们，这种情况极不可能发生。

喂养黑洞

我们目前对物理学的理解表明，存在一个最佳的进食速率，称为爱丁顿速率，黑洞以该速率最有效地获得质量。以爱丁顿速率进食的黑洞将呈指数级增长，大约每10⁷年质量翻一番。为了增长到10⁹个太阳质量，一个10个太阳质量的黑洞种子必须在十亿年内以爱丁顿速率不受阻碍地吞噬恒星和气体。很难解释整个黑洞群体如何能够如此有效地持续进食。

实际上，如果第一批类星体是从第三星族星黑洞种子中生长出来的，那么它们就必须以快于爱丁顿速率的速度进食。在致密、富含气体的特殊环境下，超过该速率在理论上是可能的，而且这些条件可能在早期宇宙中就存在，但它们不会很常见，而且会是短暂的。此外，异常快速的增长实际上会导致“窒息”，在这种情况下，超爱丁顿事件期间释放的辐射可能会扰乱甚至阻止物质流向黑洞，从而阻止其增长。鉴于这些限制，似乎极端的饕餮盛宴可能可以解释一些怪异的类星体，但除非我们目前对爱丁顿速率和黑洞进食过程的理解是错误的，否则它无法解释整个被探测到的种群的存在。

因此，我们必须怀疑第一批黑洞种子是否可以通过其他渠道形成。在其他几个研究小组工作的基础上，我的合作者朱塞佩·洛达托和我于2006年和2007年发表了一系列论文，其中我们提出了一种新颖的机制，可以从一开始就产生更大质量的黑洞种子。我们从大型原始气体盘开始，这些气体盘原本可能会冷却并分裂，从而产生恒星并成为星系。我们表明，这些盘有可能避开传统的形成过程，转而坍缩成致密的团块，形成质量为10⁴至10⁶个太阳质量的种子黑洞。如果某些东西干扰了导致恒星形成的正常冷却过程，并转而驱动整个圆盘变得不稳定，将物质迅速漏斗到中心，就像拔掉浴缸塞子时水向下流动一样，这种情况就可能发生。

如果圆盘的气体包含一些分子氢——两个氢原子键合在一起——而不是只包含一个原子的原子氢，那么圆盘的冷却效率会更高。但是，如果来自邻近星系恒星的辐射照射到圆盘上，它会破坏分子氢并将其转化为原子氢，从而抑制冷却，使气体过热而无法形成恒星。没有恒星，这个巨大的受辐射圆盘可能会变得动态不稳定，物质会迅速流入其中心，迅速推动质量巨大的直接坍缩黑洞的产生。由于这种情况取决于附近恒星的存在，我们预计DCBHs通常会在围绕较大的母星系运行的卫星星系中形成，而第三星族星已经在母星系中形成。

大规模气体流动的模拟以及小规模过程的物理学都支持这种DCBH形成模型。因此，非常大的初始种子的想法在早期宇宙中似乎是可行的。从这个范围内的种子开始，可以缓解最明亮、最遥远的类星体的超大质量黑洞产生的时间问题。

寻找证据

但这仅仅是因为 DCBH 种子是可行的，并不意味着它们真的存在。为了找出答案，我们必须寻找观测证据。这些物体将表现为在早期宇宙中闪耀的明亮微型类星体。当种子与母星系合并时，它们应该是可探测到的——考虑到 DCBH 可能在围绕较大星系运行的卫星星系中形成，这个过程应该很常见。合并将为黑洞种子提供丰富的新气体来源，因此黑洞应该开始快速增长。事实上，它会短暂地变成一种特殊的类星体，其亮度超过星系中的所有恒星。

这些黑洞不仅会比周围的恒星更亮，而且会更重——这颠倒了通常的秩序。一般来说，星系中的恒星质量比中心黑洞重约1000倍。然而，在宿主 DCBH 的星系与其母星系合并后，增长中的黑洞的质量将短暂地超过恒星的质量。这种被称为肥胖黑洞星系的物体应该具有非常特殊的光谱特征，特别是在 JWST 的中红外仪器 (MIRI) 和近红外相机 (NIRCam) 将运行的 1 到 30 微米之间的红外波长范围内。这架望远镜将是天文学家有史以来最强大的工具，用于窥探宇宙历史的早期阶段。如果望远镜探测到这些肥胖黑洞星系，它将为我们的 DCBH 理论提供强有力的证据。另一方面，传统的黑洞种子，来源于死亡的恒星，可能太暗而无法被 JWST 或其他望远镜看到。

我们也有可能找到我们理论的其他证据。在罕见的情况下，与 DCBH 合并的母星系也拥有一个中心黑洞，这两个黑洞将发生碰撞并释放出强大的引力波。这些波可能被激光干涉仪空间天线（LISA）探测到，LISA 是欧洲航天局/美国国家航空航天局的任务，预计于 2030 年代发射。

更全面的图景

DCBH 情景和小种子以超爱丁顿速率进食这两种情况都可能在早期宇宙中发生。事实上，最初的黑洞种子可能通过这两种途径形成。问题是：哪个通道创造了天文学家看到的大部分明亮的古代类星体？解决这个谜团可能不仅仅是澄清早期宇宙的时间线。天文学家还想更广泛地了解超大质量黑洞如何影响周围更大的星系。

数据表明，中心黑洞可能在调整它们所居住的星系中形成多少恒星方面发挥重要作用。一方面，当物质落入黑洞时产生的能量可能会加热星系中心的周围气体，从而阻止冷却并阻止恒星形成。这种能量甚至可能通过驱动高能外流对星系中心以外的区域产生深远的影响。我在 1999 年预测了这些类星体外流会在来自宇宙大爆炸的遗迹辐射上留下幽灵般的阴影；射电天文学家在 2018 年 12 月报告了首次探测。这些风很可能会加热外部区域的气体并关闭那里的恒星形成。然而，这些效应是复杂的，它们有助于证实我们目前对黑洞形成和增长的认识。找到第一批种子黑洞可能有助于揭示黑洞及其宿主星系之间的关系如何随时间演变。

这些见解符合我们研究和理解所有质量黑洞的能力的更大革命。例如，当激光干涉引力波天文台（LIGO）在 2015 年首次探测到引力波时，科学家能够将它们追溯到两个质量分别为 36 和 29 个太阳质量的碰撞黑洞，它们是驱动类星体的超大质量黑洞的轻量级表亲。该项目继续探测来自类似事件的波，提供了关于这些黑洞碰撞和扭曲周围时空时发生情况的新的和令人难以置信的细节。

另一个名为事件视界望远镜的项目，它使用散布在地球周围的射电天文台来成像银河系中心的超大质量黑洞，并在 2019 年报告了其首次发现。科学家们在黑洞边界周围发现了一个环状阴影——这是广义相对论预测将出现的一个特征，因为黑洞的强大引力会使光线偏转。如果未来事件视界望远镜的任何测量结果显示与广义相对论的预测存在偏差，它们将有可能挑战我们对黑洞物理学的理解。此外，观察脉冲星（称为脉冲星计时阵列）的实验也可能探测到由许多黑洞碰撞的累积信号引起的时空震动。最终，JWST 将为照亮宇宙的最初黑洞打开一个全新的窗口。

在不久的将来，许多启示将被存储，我们对黑洞的理解有望得到转变。