北京
如何在早期宇宙中建造一个巨大的黑洞？这个问题听起来像是科幻小说的情节，但实际上，它是天文学家们正在探索的一个重大挑战。因为，根据大量的观测数据，尤其是詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的观测数据，我们已经发现了年轻宇宙中存在着巨大的黑洞。这些黑洞的质量高达几百万倍甚至几十亿倍太阳的质量，它们是如何在宇宙的早期形成的呢？
黑洞是一种引力极强的天体，它们的引力场如此强大，以至于连光都无法逃逸。虽然我们无法直接看到黑洞，但我们可以通过观测它们周围的物质来间接探测它们的存在。当物质落入黑洞时，会被加速和加热，释放出大量的辐射，形成一个称为吸积盘的旋转结构。如果黑洞的质量足够大，吸积盘的辐射就会非常强烈，形成一个超亮的天体，我们称之为类星体。
类星体是宇宙中最亮的天体，它们的亮度可以超过整个星系的亮度。类星体是由超大质量黑洞驱动的，它们是宇宙中最强大的引擎，能够同时照亮成千上万个星系，并持续数百万年。我们可以在整个宇宙中看到这些巨大的宇宙灯塔，包括在恒星和星系形成的最早期。
已知最古老的类星体存在于宇宙大爆炸后的约4亿年，当时我们的宇宙只有现在的3%的年龄。这意味着，这些类星体背后的超大质量黑洞也必须在宇宙的早期就已经形成了。但这一想法对我们目前对星系成长的理解提出了挑战。因为，据我们所知，制造黑洞的唯一途径是大质量恒星的死亡。但是，类星体在宇宙记录中出现得太早，以至于没有足够的时间让第一批恒星诞生和死亡，然后让它们的残余黑洞合并并积累气体，成长为超大质量黑洞。
那么，早期宇宙中的巨大黑洞是如何形成的呢？一项新的预印本研究提出了一个反直觉的建议：从许多小黑洞的爆炸开始。这项研究由加州大学洛杉矶分校和东京大学的一个天文学家小组完成，但尚未提交同行评审。
这些小黑洞并不是由坍缩的恒星形成的，而是由宇宙大爆炸最初几秒钟内的早期宇宙物理学产生的。在那个时候，宇宙的密度和温度都非常高，宇宙可能直接产生了无数的小黑洞，这些小黑洞是在时空本身的泡沫中形成的。这些小黑洞被称为原初黑洞，它们的质量范围很广，可以非常小，也可以非常大。
不过，这些小黑洞并不能长生不老，它们会在霍金辐射的作用下蒸发掉，可能只有一小部分存活到了今天。霍金辐射是由英国物理学家斯蒂芬·霍金在1974年提出的一种理论，它认为黑洞并不是完全黑暗的，而是会向外辐射一些粒子和能量，从而导致黑洞的质量减小，最终消失。
但在宇宙的早期，第一批恒星、星系和黑洞可能要丰富得多。研究人员发现，这些小黑洞在蒸发时会释放出适量的热量，使巨型气体云不会碎裂成分子氢团，从而让气体云缓慢而稳定地坍缩成一个巨型黑洞。这些气体云是由原子氢组成的，它们的质量可以达到数百万倍太阳的质量。要让这些气体云坍缩，就必须把它们的热量排出。但是冷却的氢有一个令人讨厌的习惯，那就是把自由氢原子变成二原子氢分子。
氢分子非常擅长通过发射辐射来冷却自己。事实上，太擅长了。在传统的设想中，原子氢气云还没来得及坍缩成一个单一的黑洞，就会分裂成许多更小的分子氢，每个分子氢都会坍缩，形成一堆恒星。这就是我们目前所知的恒星形成的过程。
诀窍在于让巨大的氢气云冷却下来–但又不能太快，以免整个氢气云变成一个单一的超大质量黑洞。新研究的理论认为，这就是微小黑洞的作用所在。它们在蒸发时释放的热量，可以抵消氢分子的冷却效果，从而保持气体云的原子状态，让它们有足够的时间和空间坍缩成一个巨大的黑洞。
这一结果之所以有趣，是因为它没有引出更奇特的能量释放形式，也没有增加新的自然力。它还表明，在早期宇宙中，即使是相对简单的物理学也会以奇怪而陌生的方式相互作用。这种方式可能为我们解释宇宙中的一些奥秘提供了新的线索，比如暗物质的本质，宇宙的膨胀速度，以及引力波的来源。
研究人员希望通过更全面的模拟来跟进他们的初步研究，看看他们的模型是否能够产生早期宇宙中巨型黑洞的正确丰度，并寻找观测线索，让 JWST 等望远镜用来验证这一想法。
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