天文學家首次發現早期宇宙中存在重黑洞種子的證據

發表于 2025-12-09 19:15:22 來源：桑間濮上網

一個超大質量黑洞的插圖，其質量是首次太陽的幾十億倍。這些宇宙巨人是發現從巨大的黑洞種子中成長起來的嗎？(圖片來源:uux.cn/NASA)
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（羅伯特·李）：天文學家可能發現了早期宇宙中重黑洞“種子”的第一個證據。
這些所謂的早期中存重黑種子可以幫助解釋一些質量相當于太陽數百萬甚至數十億倍的超大質量黑洞如何在大爆炸后不到10億年的時間里快速增長。
潛在地，宇宙重黑洞種子是洞種的證質量大約是我們太陽的4000萬倍的黑洞。它們被認為是天文由一團巨大的氣體云直接坍縮而形成的，不像你所看到的首次那種典型的黑洞，那種黑洞是發現在一顆大質量恒星走到生命盡頭并在自身引力下坍縮而產生的。理論上擁有如此重的早期中存重黑黑洞種子的星系被稱為超大黑洞星系(obg)。
這些星系可能非常遙遠，宇宙用我們的洞種的證望遠鏡可以看到，因為它們是天文我們138億歲的宇宙大約4億歲時的樣子。現在，首次科學家們可能已經最終確定了其中一個obg。發現
由哈佛&史密森尼天體物理中心研究員Akos Bogdán領導的團隊，在使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)和美國宇航局的錢德拉X射線天文臺研究類星體時，首次探測到了一個具有黑洞質量特征的物體。類星體由超大質量黑洞提供動力，是極其明亮、活躍的星系心臟。事實上，它們非常明亮，比所在星系中每一顆恒星的總和還要亮。
Bogdán和其他研究人員研究的那個星系生活在一個名為UHZ1的星系中。
事實證明，來自JWST和錢德拉的關于UHZ1的數據與OBG的預期一致。研究小組通過接入Chandra發現了X射線輻射，這些輻射表明了與類星體相關的一個進食或“吸積”黑洞，這在將周圍的星系識別為OBG時尤其引人注目。
研究人員還將他們的觀察結果與重黑洞種子快速生長的模擬進行了比較，發現兩者之間有很好的匹配。在這次比較中，他們發現最適合的是一顆10，000個太陽質量的種子，它生長了幾億年。
“基于觀察到的UHZ1的多波長特性與理論模型模板預測之間的良好一致性，我們認為UHZ1是第一個被探測到的OBG候選者，其紅移得到了光譜確認，”作者在解釋這一發現的論文中寫道。“因此，作為第一個OBG候選者，UHZ1為早期宇宙直接坍縮形成沉重的初始種子提供了令人信服的證據。”
重的種子是如何促進黑洞生長的
超大質量黑洞的巨大尺寸并沒有給科學家帶來太多麻煩。這是因為這些宇宙巨人已經通過吸收周圍的氣體和塵埃以及與其他黑洞合并而成長了數十億年。例如，銀河系中心的人馬座A* (Sgr A*)有足夠的時間增長到太陽質量的450萬倍。位于一個名為M87的星系中心的黑洞設法變得更大，大約是我們恒星質量的50億倍。
但是，因為這些增長機制估計會發生數十億年，所以發現類似的超大質量黑洞存在于大爆炸后僅5億年至僅10億年之間是具有挑戰性的。那些質量聚集方法不會有足夠的時間產生如此巨大的黑洞。然而，這正是天文學家用JWST和其他儀器研究早期宇宙時所發現的。
“這就像看到一個家庭走在街上，他們有兩個六英尺高的青少年，但他們也有一個六英尺高的蹣跚學步的孩子。這有點問題。這個蹣跚學步的孩子怎么長得這么高？”約翰·里根，梅努斯大學的研究員，沒有參與這項研究，告訴Space.com。“宇宙中的超大質量黑洞也是如此。它們是如何這么快變得如此巨大的？”
有一種理論認為，這些黑洞是從較小的黑洞“種子”成長起來的，從而在質量增長過程中領先一步
在這方面有兩種主要的思路。一方面，專家認為超大質量黑洞可能是由質量約為太陽10到100倍的輕黑洞種子形成的。理論上，這些光種子將通過恒星質量黑洞產生的標準機制誕生，即宇宙第一代恒星的死亡和坍縮。
另一方面，早期的超大質量黑洞可能是從質量約為太陽質量10萬倍的重種子黑洞發展而來的。這些黑洞可能是由大質量物質云的坍縮直接形成的，因此完全跳過了其他黑洞的“恒星階段”。天文學家將這種黑洞稱為直接坍縮黑洞(DCBHs)。
這些DCBHs隨后會隨著星系合并而增長，這在早期宇宙中很常見，也會為這些空洞帶來氣體和塵埃供應。最終，其他黑洞可能會與這些黑洞相撞并融合。
里根把這比作六英尺高的蹣跚學步的嬰兒出生時有三英尺長。這仍然有點令人困惑(也許有點令人不安)，但它更好地解釋了蹣跚學步的孩子是如何如此迅速地長到成人的尺寸的，至少比蹣跚學步的孩子一開始就有普通嬰兒的長度要容易得多。
其他較小的黑洞種子預計不會產生obg，因此UHZ1作為這樣一個星系的識別支持了重黑洞種子的存在，并為它們在早期超大質量黑洞增長中的作用提供了可信度。
然而，作者自己指出了他們研究的局限性，并敦促在推斷UHZ1內黑洞的增長達到超大質量狀態時要謹慎。他們還認為，這種生長的可能性在很大程度上取決于潛在種子所處的環境，有大量的氣體和灰塵來支持它的生長。
在證實重種子黑洞的數量以及它們與嬰兒宇宙中超大質量黑洞的聯系之前，還有大量的研究必須進行，但這些發現至少代表了正確方向上的一步。
“隨著JWST在未來的周期中探測到更多[遙遠和早期]吸積黑洞，我們計劃分析這些來源，用錢德拉研究可能的X射線對應物，并對obg和重播種物理學有更深入的理解，”該團隊總結道。
“這一發現為重種子假說提供了更多的證據，”里根告訴Space.com。“結合已經觀察到的其他JWST黑洞質量，我想說，證據的重量現在強烈指向超大質量黑洞增長的沉重種子場景。”
該團隊的研究已提交給天體物理學雜志Letters，目前發表在論文資源庫arXiv上。

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