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黑洞除了能吸收光線，還能吸引天文學(xué)家好奇的目光，它一直是天文領(lǐng)域的明星。一般認(rèn)為，當(dāng)恒星質(zhì)量大于20個(gè)太陽質(zhì)量時(shí)，會(huì)在演化末期發(fā)生超新星爆炸，而爆炸殘余物就是一個(gè)黑洞，這樣形成的黑洞不過5個(gè)太陽質(zhì)量左右。想要得到星系中心的超大質(zhì)量黑洞，最流行的假設(shè)是將這些黑洞視作“種子”，通過吸積物質(zhì)、與其他黑洞合并不斷成長。而近期發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)類星體，則在這種理論之外，驗(yàn)證了一種全新的黑洞形成理論。

現(xiàn)在我們都知道宇宙正在加速膨脹，離我們更遙遠(yuǎn)的天體會(huì)以更快的速度遠(yuǎn)離我們，它們發(fā)出的光也會(huì)由于多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生紅移。而對(duì)于宇宙早期的天體，其紅移z也能用于表示星系的距離——紅移越高，對(duì)應(yīng)的距離也就越遠(yuǎn)。迄今為止，只有三個(gè)類星體的紅移z超過了7.5，全都是同一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的，其中新發(fā)現(xiàn)的J0313-1806就是本次的主角。

J0313-1806的紅移達(dá)到了7.642，也就是離地球130.3億光年遠(yuǎn)。我們今天看到的它發(fā)出的光，是在宇宙大爆炸后6.7億年時(shí)發(fā)出的。它是目前人類發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的類星體，比先前的紀(jì)錄保持者遠(yuǎn)了2000萬光年。

“類星體”這個(gè)名字來源于準(zhǔn)恒星狀電波源（quasi-stellar radio source）的縮寫，20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)這種天體時(shí)，它們是可見光照片中類似恒星狀態(tài)的微弱光點(diǎn)，被認(rèn)定為未知的電波發(fā)射源。它們的亮度非?？鋸?，是銀河系這樣普通星系的數(shù)千倍。但是其發(fā)出的光變化非常迅速，由光速有限推斷類星體的尺度不會(huì)超過太陽系。也就是說，數(shù)千倍于整個(gè)銀河系的能量集中在太陽系大小的范圍內(nèi)，對(duì)此天文學(xué)家自然提出了多種假說，其中最廣為接受的學(xué)說是：類星體是活動(dòng)星系核中超大質(zhì)量黑洞吸積造成的。

我們之所以能觀測(cè)到這么遙遠(yuǎn)的類星體，重要的原因就是它擁有極高的亮度。J0313-1806的光度大約是1.4×10⁴⁰W，相當(dāng)于36萬億個(gè)太陽。據(jù)推測(cè)，其中心有一個(gè)16億倍太陽質(zhì)量的黑洞，大約是銀河系中心黑洞人馬座A*的400倍。這個(gè)超大質(zhì)量黑洞平均每年吸入25個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)，劇烈的吸積除了讓它能向其所在星系內(nèi)吹出相對(duì)論性速度的炙熱等離子風(fēng)暴之外，也是它如此明亮的原因之一。

不過，也正是由于在遙遠(yuǎn)距離對(duì)應(yīng)的宇宙早期發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量如此大的黑洞，暗示這個(gè)黑洞可能并不是按照傳統(tǒng)的黑洞形成模型誕生的。

其實(shí)，對(duì)于超大質(zhì)量黑洞是如何產(chǎn)生的，天文學(xué)家并沒有確定的結(jié)論。如果是按照最流行的小黑洞吸積、合成成為大黑洞的方式，其實(shí)存在很多問題亟待解決。其中兩個(gè)比較顯著的問題就是中等質(zhì)量黑洞問題和宇宙引力波背景問題。

目前已經(jīng)確定質(zhì)量的黑洞大多分為兩類，一種是不到100倍太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，一種則是超過100萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。而在100倍到100萬倍中間，存在著一個(gè)巨大的缺口。如果超大質(zhì)量黑洞是通過恒星級(jí)黑洞合并形成的，那我們就不可能找不到中等質(zhì)量黑洞。不過幸運(yùn)的是，LIGO在去年公布了他們?cè)?019年首次發(fā)現(xiàn)的中等質(zhì)量黑洞，這是由兩個(gè)質(zhì)量分別為85倍和66倍太陽質(zhì)量的黑洞合并形成的142倍太陽質(zhì)量的黑洞。隨著LIGO的精度一步步提高，研究人員說不定能發(fā)現(xiàn)越來越多的中等質(zhì)量黑洞，這個(gè)問題或許可以得到解決。

圖片來源：LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

另一個(gè)問題是宇宙的引力波背景問題。如果超大質(zhì)量黑洞是通過小黑洞一步步合并而來的，那么宇宙中必然充滿了黑洞合并產(chǎn)生的引力波，其中也可能會(huì)有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的引力波。許多引力波疊加成宇宙尺度的隨機(jī)引力波背景，會(huì)對(duì)時(shí)空產(chǎn)生1年量級(jí)的周期性影響，通過對(duì)脈沖星進(jìn)行精確周期測(cè)量可以檢測(cè)出這種影響。脈沖星計(jì)時(shí)陣列十幾年來鮮有進(jìn)展，直到近期，北美納赫茲引力波天文臺(tái)（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，NANOGrav）在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上發(fā)表論文，表明他們可能發(fā)現(xiàn)了1年量級(jí)的引力波背景。如果最終證實(shí)他們的數(shù)據(jù)不是由于誤差引起的話，那么的確可能找到了來自超大質(zhì)量黑洞合并的證據(jù)。 

用脈沖星計(jì)時(shí)陣列或許能找到超大質(zhì)量黑洞合并的證據(jù) 圖片來源：NASA Goddard Space Flight Center

“大魚吃小魚”這種超大質(zhì)量黑洞形成理論雖然并沒有獲得決定性的證據(jù)，但至少看上去可能剛剛有所進(jìn)展。并且由于精度問題，引力波的探測(cè)范圍也不可能覆蓋到宇宙早期的原初種子黑洞。就算這些進(jìn)展都非?？煽浚瑢?duì)于宇宙早期超大質(zhì)量黑洞的形成，它們都是無能為力的。但J0313-1806卻斬釘截鐵地告訴我們，它所包含的黑洞源于不同的過程，而不可能是從小黑洞一步一步合并而來的。

亞利桑那大學(xué)哈勃學(xué)者、該研究論文的主要作者王飛格指出：“由第一代大質(zhì)量恒星形成的黑洞，不可能在幾億年內(nèi)長到如此大的質(zhì)量。”

從小質(zhì)量成長為大質(zhì)量黑洞是一個(gè)非常緩慢的過程，根據(jù)他們的計(jì)算，就算這個(gè)黑洞早在宇宙大爆炸后1億年就已經(jīng)形成，那么它至少也需要一個(gè)擁有1萬個(gè)太陽質(zhì)量的種子黑洞。但是對(duì)于極早期的宇宙來說，第一代恒星產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量最大也不會(huì)超過幾百個(gè)太陽質(zhì)量，所以這個(gè)超大質(zhì)量黑洞不可能是由小質(zhì)量的種子黑洞長成的。

論文合著者，亞利桑那大學(xué)天文系副主任樊曉暉教授表示：“這告訴你無論怎樣，這個(gè)黑洞的‘種子’必須以不同的機(jī)制形成。對(duì)于此次的黑洞，需要大量原初的、冷的氫分子氣體直接塌縮成一個(gè)種子黑洞。”

這是一種于2006年提出的黑洞形成理論。暗物質(zhì)暈中在宇宙大爆炸核合成時(shí)期就形成的原初氣體，在引力自束縛的條件下，由于失控的全局動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，快速失去角動(dòng)量向中心坍塌。壓縮導(dǎo)致的高壓環(huán)境的確會(huì)點(diǎn)燃其中的核聚變，但整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量太過龐大，中心溫度過高，其散熱機(jī)制和恒星形成時(shí)存在巨大差異。中微子輻射在這一階段散熱非常有效，快速冷卻核心，從而導(dǎo)致中心黑洞的形成和快速生長。這種機(jī)制不需要以第一代恒星為原料，是唯一一種允許類星體J0313-1806中的黑洞在宇宙早期成長到16億倍太陽質(zhì)量的機(jī)制。

J0313-1806的質(zhì)量成長起點(diǎn)已經(jīng)不可避免的落入了直接坍塌黑洞（direct-collapse black hole，DCBH）的范圍 圖片來源：Feige Wang et al 2021 ApJL 907 L1

雖然直接由原初氣體塌縮形成的黑洞和流行的說法并不一致，但王飛格也沒有完全否定這種“大魚吃小魚”的方式，只是給出了另一種黑洞形成機(jī)制的可能?！皩?duì)于我們近鄰宇宙中的超大質(zhì)量黑洞（比如銀河系中心的黑洞），我相信很多是由小質(zhì)量的黑洞逐漸合并形成的，”王飛格這樣表示，“當(dāng)然我們目前還缺少直接的觀測(cè)證據(jù)。”

除了研究黑洞本身的形成機(jī)制外，最遠(yuǎn)類星體也是研究黑洞如何影響其宿主星系的好機(jī)會(huì)。類星體會(huì)在其宿主星系中產(chǎn)生高速星風(fēng)，而J0313-1806的星風(fēng)速度甚至高達(dá)20%光速。亞利桑那大學(xué)的博士后研究員（Strittmatter學(xué)者）楊錦怡說：“如此極端高速的外向流釋放的能量足以影響整個(gè)類星體宿主星系。”理論認(rèn)為類星體的外向流會(huì)抑制其宿主星系中的恒星形成，而該類星體宿主星系中的恒星形成率仍然很高，高達(dá)每年200個(gè)太陽質(zhì)量，而銀河系大約只有1個(gè)。這其中的緣由值得進(jìn)一步探索。

可以肯定的是，未來的觀測(cè)還能為我們揭開更多關(guān)于類星體的秘密，特別是計(jì)劃于今年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）。天文學(xué)家也希望未來能對(duì)宇宙早期的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行更深入的研究，了解更多類星體外向流對(duì)其宿主星系的影響，并進(jìn)一步探索早期宇宙中的大質(zhì)量星系是如何形成的。