早期宇宙可能充滿了非常黑暗的空洞

超大塊體黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也是最可怕）的天體之一——其質(zhì)量大約是太陽的十億倍。我們知道他們已經(jīng)存在了很長時間。

事實上，天文學家檢測到位于星系中心的極其明亮的致密源，被稱為類星體（快速增長的超大質(zhì)量黑洞），當時宇宙年齡不到 10 億年。

現(xiàn)在，我們的新研究發(fā)表在天體物理學期刊快報利用哈勃太空望遠鏡的觀測結果表明，早期宇宙中的黑洞比以前的估計要多得多（光度要低得多）。令人興奮的是，這可以幫助我們了解它們是如何形成的——以及為什么其中許多看起來比預期的要大。

黑洞通過吞噬周圍的物質(zhì)而生長，這個過程稱為吸積。這會產(chǎn)生大量的輻射。這種輻射的壓力設置基本限制關于黑洞的生長速度。

因此，科學家們在解釋這些早期的大質(zhì)量類星體時面臨著一個挑戰(zhàn)：沒有太多的宇宙時間來喂養(yǎng)它們，它們要么生長得比物理上可能更快，要么出生時就出奇地大。

輕種子與重種子

但是黑洞到底是怎么形成的呢？存在多種可能性。首先是所謂的原始黑洞在Big Bang 宇宙.雖然對于低質(zhì)量的黑洞來說是合理的，但根據(jù)標準型號宇宙學。

黑洞肯定可以形成（現(xiàn)在由引力波天文學）的最后階段一些正常大質(zhì)量恒星的短暫壽命.如果這種黑洞形成于恒星和黑洞可能合并的極其密集的星團中，原則上可以迅速增長。正是這些黑洞的“恒星質(zhì)量種子”需要生長得太快。

另一種選擇是，它們可以從 ”重種子“，其質(zhì)量大約是已知大質(zhì)量恒星的 1,000 倍。其中一種機制是“直接崩潰”，其中未知的、不可見的物質(zhì)的早期結構被稱為暗物質(zhì)受限的氣體云，而背景輻射阻止它們形成恒星。相反，它們坍縮成了黑洞。

問題是，只有少數(shù)暗物質(zhì)暈長得足夠大，可以形成這樣的種子。所以，這只有在早期黑洞足夠罕見的情況下才能作為解釋。

黑洞太多

多年來，我們對宇宙時間的前十億年中存在多少個星系有一個很好的了解。但是在這些環(huán)境中尋找黑洞極具挑戰(zhàn)性（只能證明發(fā)光的類星體）。

盡管黑洞通過吞噬周圍的物質(zhì)而生長，但這并不是以恒定的速度發(fā)生的——它們將食物分解成“食物”，這使得它們的亮度隨時間變化。我們監(jiān)測了一些最早的星系在 15 年期間的亮度變化，并利用它對那里有多少黑洞進行了新的普查。

事實證明，存在于普通早期星系中的黑洞數(shù)量比我們最初想象的要多幾倍。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 （JSTW） 最近的其他開創(chuàng)性工作已經(jīng)開始得出類似的結論.總的來說，我們的黑洞比直接坍縮所能形成的黑洞要多。

還有另一種更奇特的形成黑洞的方法，可以產(chǎn)生既大又豐富的種子。恒星是通過氣體云的引力收縮形成的：如果在收縮階段可以捕獲大量暗物質(zhì)粒子，那么內(nèi)部結構可以完全修改——并防止了核點火。

因此，增長可以持續(xù)許多倍于普通恒星的典型壽命，從而使它們變得更大。然而，就像普通的恒星和直接坍縮的物體一樣，沒有任何東西最終能夠承受強大的引力。這意味著這些“暗星”最終也應該坍縮形成大質(zhì)量黑洞。

我們現(xiàn)在相信，與此類似的過程應該發(fā)生，以形成我們在嬰兒宇宙中觀察到的大量黑洞。

未來計劃

早期研究黑洞Formation 在過去兩年中經(jīng)歷了轉(zhuǎn)變，但從某種意義上說，這個領域才剛剛開始。

新的太空天文臺，例如Euclid 任務或南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，將盡早填補我們對較暗類星體的普查。這NewAthena 任務和Square Kilometer 數(shù)組澳大利亞，將揭示我們對早期圍繞黑洞的許多過程的理解。

但實際上，我們必須在短期內(nèi)關注 JWST。憑借其成像和監(jiān)測的靈敏度以及看到非常微弱的黑洞活動的光譜能力，我們預計未來五年將真正確定第一個星系形成時的黑洞數(shù)量。

我們甚至可能通過目睹與第一批原始恒星坍縮相關的爆炸來捕捉黑洞的形成。模型表明這是可能的，但這需要天文學家協(xié)調(diào)和專注的努力。

馬修·海耶斯， 天體物理學副教授，斯德哥爾摩大學

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