超大质量黑洞——质量是恒星数百万到数十亿倍的天体——是现代天体物理学最深奥的谜团之一。它们潜伏在大多数大型星系的中心，包括我们自己的银河系。鉴于它们的普遍存在，这些黑洞可能在宇宙的形成和演化中发挥着至关重要的作用。但是，它们是如何变得如此巨大的长期以来一直困扰着世界各地的理论家。
最合理的推测——这些庞然大物只能通过在数十亿年内吞噬大量的气体才能变得如此巨大——现在已知是错误的。最近的观测表明，在大爆炸后仅8亿年，就存在质量是太阳数十亿倍的黑洞。因此，谜题来了：它们是如何如此迅速地到达那里的？大多数天体物理学家都认为，超大质量黑洞一定源于较小的“种子”黑洞。他们只是对这种种子必须有多小存在分歧。一种思想流派认为，种子黑洞应该很大——是太阳质量的数千到数万倍；另一种观点认为，种子可能很小——不超过太阳质量的100倍。
双方阵营都必须应对黑洞是“挑食者”这一事实：引力只能将如此多的气体塞进“嘴里”，然后物质开始在其周围堆积，形成发出强烈辐射的炽热圆盘，并将额外的入射气体推开，从而有效地切断食物供应。这被称为爱丁顿极限，人们认为这会严重阻碍任何黑洞吞噬物质和生长的速度。使用小种子模型的优势在于，这样轻量级的黑洞相对容易制造；缺点是，为了快速成长为超大质量黑洞，它们必须将爱丁顿“极限”视为更像是一种建议，并依赖各种潜在的例外来规避其约束。相比之下，大种子模型尊重这一极限，它们让正在生长的超大质量黑洞在达到极限之前有巨大的先发优势来吞噬更多气体——但它们更大的种子也相应地更难制造。可能坍缩形成大种子的巨大气体云也可能分裂成更小的团块，形成星团而不是大型黑洞。
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无论是倡导大种子还是小种子，“已经有很多理论试图解释超大质量黑洞的存在或形成，但没有一个理论可以给出自然的解决方案，”东京大学的天体物理学家吉田直树说。吉田直树是大种子的支持者，也是周四在《科学》杂志上发表的一项新研究的合著者，该研究提出了它们是如何形成的，以及如何产生了早期宇宙中令人惊讶的超大质量黑洞群体。他的“自然解决方案”调用了在大爆炸后流经宇宙的高速气体流，作为关键的催化剂。具体来说，它基于快速移动的气体和暗物质——这种神秘的隐形物质似乎充当了星系的引力粘合剂——之间假定的相互作用。
黑洞的成长
吉田直树与他在奥斯汀的德克萨斯大学和德国蒂宾根大学的合作者一起，通过向程序输入宇宙学参数（例如暗物质的密度，天文学家已根据早期宇宙组成的测量结果计算出该密度），使用计算机模拟来重现早期宇宙的条件。“我们试图尽可能接近真实观测地重现这种初始状态，”吉田说，“我们让那个宇宙随着时间推移而演化。”
根据该小组的模拟，在宇宙的某些区域，来自暗物质的引力会捕获大爆炸遗留下来的快速移动的原始氢和氦气流。研究人员最近发现，在大爆炸之后，这些早期气体在某些区域加速到惊人的速度——或者像吉田所说的那样，“非常快的风”。“你可以想象，捕获快速移动的气体是非常困难的，”吉田说。他以将手放在消防水带喷出的水柱前为例，你的手臂会被冲力向后摆动。“阻止这种强风的唯一方法是产生足够强的引力，”他说。研究人员计算出，在早期宇宙每30亿光年的范围内，都存在足够大的暗物质团块，其引力足以吸入并捕获这种风——就像有足够的力量将水柱向相反的方向推回去一样。气体和暗物质之间的这种吸引力形成了一个巨大的气体云，并阻止了小恒星在此过程中形成。
这个模拟的气体云随后坍缩成一颗大质量恒星，该恒星继续吞噬更多气体，直到其质量达到太阳的34,000倍。这种异常的假想大质量恒星只有在完全由氢和氦构成的情况下才能达到如此大的量级——氢和氦是在早期宇宙中任何恒星经历超新星爆炸产生碳、氮和氧等更重元素之前就存在的两种元素气体。大质量恒星的想法之前就有人提出过，但这是首次有研究小组对其进行模拟。“我们的计算机模拟真正表明，这种现象确实会发生，并且这种怪兽般的恒星实际上可以形成，”吉田说。达到如此巨大的质量后，这颗恒星最终坍缩，超大质量黑洞的种子就诞生了。“我们并没有真正寻找一个完美的解决方案；[它] 是自然而然的结果，”他说。“这就是为什么我认为这确实是最终的解决方案，至少对于[超大质量黑洞]起源的问题而言是这样。” 然而，并非所有人都同意。
答案不错，但是…
其他支持大种子假说的科学家对这些种子最初是如何形成的有着不同的看法。《自然-天文学》杂志最近发表的一项研究，例如，提出这种种子的形成不是通过暗物质的模糊运动，而是通过星系中普通恒星的行为。在这种情景中，附近年轻星系中剧烈的恒星形成产生的强烈紫外线爆发可能会阻止巨型气体云中恒星的形成，使其能够保持完整足够长的时间，从而直接坍缩成质量高达10万个太阳的黑洞。
佐治亚理工学院的天体物理学家、《自然-天文学》研究报告的合著者约翰·怀斯认为，这项新工作是该领域向前迈出的重要一步，因为吉田和他的同事们是第一个模拟这些早期气体运动对超大质量黑洞形成的影响的人。但他表示，这并不排除他自己的理论。“我认为形成这些超大质量黑洞有多种途径，”他说。“这条[途径]只是另一种，我认为这完全有可能。” 然而，他确实指出，在早期宇宙中找到如此快速移动的气体是很罕见的。“这些速度确实会波动[取决于]你在宇宙中的位置，所以这种情况实际发生的可能性仍然很低。” 根据吉田的说法，在早期宇宙中遇到如此快速移动的风的几率只有0.3%。相反，他和他的同事指出，直接毗邻年轻的恒星制造星系的巨型气体云似乎也很少见。“这种事件发生的净概率确实不确定，”吉田说。
哥伦比亚大学的天体物理学家、《自然-天文学》论文的资深作者格雷格·布莱恩赞扬了这些新发现。“这不是一个明确的答案，但就研究黑洞形成的这种特定模式而言，这是迄今为止最好的，”他说。然而，他有点担心他们的模拟与形成较小星团有多么接近。为了形成黑洞，大量早期气体需要聚集在一个非常小的区域，如果它们分散形成一群恒星，这种情况就不会发生。他说，如果模拟中的条件发生细微变化，就不会形成巨大的种子。“另一方面，尽管我对任何模型都表示信任，但我更信任他们的模型，”布莱恩补充道。
亚利桑那大学的天体物理学家富尔维奥·梅利亚对这一理论并不那么狂热。“就像所有其他关于形成大种子或让这些物体以非常高的速度生长的提议一样，[作者]必须依赖许多未知的物理学，”他说。“他们必须对暗物质的行为方式做出具体的假设，但我们[甚至]不知道它是什么。”
消除疑虑的种子
为了明确回答这些巨兽是如何产生的这个问题，这些科学家都指出，未来有可能使用先进的下一代望远镜观察早期宇宙中的“种子”。这种可能性可能并不遥远。有几项计划，例如欧洲航天局提议的ATHENA任务，该任务计划于2028年发射，旨在探测这些超大质量巨头的X射线辐射。美国宇航局即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于明年发射，它也可能通过对宇宙中第一批恒星和星系的研究提供见解。
“令人兴奋的是，在未来几年内，有一种方法可以检验这些想法，因为人们将走出实验室，对整个天空进行彻底的搜索，以寻找这些物体，”梅利亚说。至于为什么会有如此多的讨论，他补充道：“人们提出的东西与我们所了解的[宇宙中]离我们更近的部分有所不同。”