130億年前，這個大黑洞「瞬間」形成！偷看到了類星體遺迹

宇宙形成的最初8億年里，也就是大約130億年前，當我們的宇宙還只是一個雜亂無章初創時，宇宙突然出現了一股創造力，在宇宙的「左」、「右」、「中」三個方向都產生了超大質量的黑洞。天文學家們在觀察類星體時，仍然可以「偷看」到早期宇宙的這些遺迹。類星體非常大，非常明亮，被認為是由比地球太陽大數十億倍的老黑洞提供能量，然而，這些古老天體的存在本身就構成了一個問題。

許多類星體似乎起源於宇宙的最初8億年，遠遠早於任何恆星能夠變大或變老到足以在自身質量下坍縮、爆炸成超新星並形成黑洞。那麼，時空結構中的這些老黑洞是從哪裡來的呢？根據一種流行的理論，可能只需要大量的氣體。在發表在《天體物理學》(Astrophysical Journal Letters)上的一項新研究中，研究人員運行了一個計算機模型，以證明在非常早期的宇宙中，某些超大質量黑洞可以通過簡單地將大量氣體聚集成一個引力束縛雲而形成。

研究人員發現，在幾億年內，足夠大的雲團會在自身質量的作用下坍縮，形成一個小黑洞——而不需要超新星坍塌。這些理論對象被稱為直接坍縮黑洞(DCBHs)，根據這項新研究的主要作者、加拿大安大略省倫敦西部大學的天體物理學家、黑洞專家山塔努·巴蘇(Shantanu Basu)所說：直接坍縮黑洞的一個決定性特徵是，它們一定是在宇宙早期非常短的時間內非常非常迅速地形成。黑洞形成的時間只有大約1.5億年，並且在這段時間內迅速增長。在1.5億年時間窗口的早期形成的黑洞，其質量可以增加1萬倍。

氣體雲是如何變成黑洞的？根據2017年的一項研究，這樣的轉變需要兩個個性迥異的星系：一個是正在形成大量新生恆星的宇宙超級巨星，另一個則是一堆低調的無恆星氣體。當新恆星在這個繁忙的星系中形成時，它們會發出持續不斷的熱輻射，沖刷鄰近星系，阻止那裡的氣體合併成自己的恆星，在幾億年內，沒有恆星的氣體雲可以吸收如此多的物質。以至於它會在自身的重量下坍塌，形成一個黑洞，卻未產生過恆星。

不久，這個「種子」黑洞可能會通過快速吞噬附近星雲的物質而達到超大質量狀態——這可能產生了我們今天看到的巨大類星體。在宇宙形成的最初8億年里，在宇宙中恆星和其他黑洞過於擁擠而無法形成之前，這種宇宙編排的行為可能只在很短一段時間內成為可能。在大爆炸之後的10億年內，宇宙中可能已經存在了太多背景輻射。以至於一個超大質量黑洞將很難找到足夠的氣體來吸收並繼續其指數級增長。假設在這1.5億年之後不會有新的超大質量黑洞產生。

這就解釋了為什麼在宇宙中一定質量和光度以上的黑洞數量會急劇下降。雖然直接坍縮黑洞目前仍處於理論研究階段，但一些天文學家認為，哈勃太空望遠鏡可能發現了這樣一個正在形成的天體。根據當年一項關於這一課題的研究，一顆巨大恆星在哈勃望遠鏡的鏡頭前消失了，沒有超新星的閃光。最好的解釋是，這顆大質量恆星只是坍縮成一個黑洞，沒有任何壯觀的場面或煙火。其他六顆附近的恆星在火焰和憤怒中爆炸，這表明大約七分之一(14%)的大恆星通過簡單地消失在虛空中來結束生命。

博科園｜文：Brandon Specktor/Live Science

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/2041-8213/ab2646

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