哈勃的研究表明，早期宇宙中的黑洞比我们想象的要多
黑洞的渲染（图片来源：uux.cn瓦迪姆·萨多夫斯基via Shutterstock）
（神秘的地球uux.cn）据《对话》（Matthew J.Hayes）：超大质量黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也是最可怕）的物体之一，质量大约是太阳的十亿倍。我们知道他们已经存在很长时间了。
事实上，天文学家已经探测到位于星系中心的极其明亮的致密源，称为类星体（快速增长的超大质量黑洞），当时宇宙的年龄还不到10亿年。
现在，我们发表在《天体物理学杂志快报》上的新研究利用哈勃太空望远镜的观测结果表明，早期宇宙中的黑洞比之前的估计要多得多（发光更少）。令人兴奋的是，这可以帮助我们理解它们是如何形成的，以及为什么它们中的许多看起来比预期的要大。
黑洞通过吞噬周围的物质而生长，这一过程被称为吸积。这会产生大量的辐射。这种辐射的压力从根本上限制了黑洞的生长速度。
因此，科学家们在解释这些早期的大质量类星体时面临着一个挑战：在没有太多宇宙时间的情况下，它们要么生长得比物理上可能的更快，要么出生时质量惊人。
轻种子与重种子
但是黑洞是如何形成的呢？存在几种可能性。首先，所谓的原始黑洞自大爆炸后不久就存在了。虽然对于低质量黑洞来说是合理的，但根据宇宙学的标准模型，大质量黑洞不可能大量形成。
黑洞肯定会在一些正常大质量恒星短暂生命的最后阶段形成（现在已被引力波天文学证实）。如果这些黑洞形成在恒星和黑洞可能合并的极其密集的星团中，原则上它们可以快速生长。正是这些黑洞的“恒星质量种子”需要生长得太快。
Westerlund 1星团。（图片来源：uux.cn美国国家航空航天局）
另一种选择是，它们可能由“重种子”形成，其质量大约是已知大质量恒星的1000倍。其中一种机制是“直接坍缩”，在这种机制中，被称为暗物质的未知、不可见物质的早期结构限制了气体云，而背景辐射阻止了它们形成恒星。相反，它们坍塌成了黑洞。
问题在于，只有少数暗物质晕长得足够大，可以形成这样的种子。因此，只有当早期黑洞足够罕见时，这才能作为一种解释。
黑洞太多了
多年来，我们对宇宙时间的前十亿年中存在多少星系有了很好的了解。但在这些环境中发现黑洞是极其具有挑战性的（只有发光类星体才能被证明）。
尽管黑洞通过吞噬周围的物质来生长，但这并不是以恒定的速度发生的——它们将食物分解成“食物”，这使得它们的亮度随着时间的推移而变化。我们在15年的时间里监测了一些最早的星系的亮度变化，并利用这一数据对那里有多少黑洞进行了新的普查。
事实证明，普通早期星系中存在的黑洞数量是我们最初想象的几倍。
最近，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的其他开创性工作也开始得出类似的结论。总的来说，我们拥有的黑洞比直接坍缩形成的要多。
还有另一种更奇特的形成黑洞的方法，可以产生巨大而丰富的种子。恒星是由气体云的引力收缩形成的：如果在收缩阶段可以捕获大量的暗物质粒子，那么内部结构就可以完全改变，从而防止核点火。
因此，增长的持续时间可能比普通恒星的典型寿命长很多倍，使它们变得更加巨大。然而，就像普通的恒星和直接坍缩的物体一样，没有任何东西最终能够承受强大的引力。这意味着这些“暗恒星”最终也会坍缩形成巨大的黑洞。
我们现在认为，在婴儿宇宙中观察到的大量黑洞应该已经发生了类似的过程。
未来计划
在过去的两年里，对早期黑洞形成的研究发生了转变，但从某种意义上说，这一领域才刚刚开始。
太空中的新天文台，如欧几里德任务或南希·格雷斯·罗马太空望远镜，将填补我们早期对较暗类星体的普查。澳大利亚和南非的NewAthena任务和平方公里阵列将解开我们对早期围绕黑洞的许多过程的理解。
但这确实是我们近期必须关注的JWST。凭借其成像和监测的灵敏度以及能够看到非常微弱的黑洞活动的光谱能力，我们预计在未来五年内，随着第一批星系的形成，黑洞的数量将真正确定下来。
我们甚至可以通过目睹与第一批原始恒星坍缩相关的爆炸来捕捉黑洞的形成过程。模型表明这是可能的，但这需要天文学家的协调和专注。
