早期宇宙中存在大量黑洞

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翻译：蔡贺菁

校对：申振宇 王婧彧

审阅：李宜骅

美编：李鸣晨

后台：胡永葳

原文链接：https://www.universetoday.com/168603/the-early-universe-had-a-lot-of-black-holes

在紫外线，可见光和红外光下看到的哈勃超深场。图片来源:NASA, ESA, H. Teplitz和M. Rafelski (IPAC/加州理工学院)， A. Koekemoer (STScI)， R. Windhorst(亚利桑那州立大学)和Z. Levay (STScI)

哈勃深场图像，以及后来的哈勃超深场图像，向我们展示了宇宙是多么浩瀚，以及充满了各种形状和大小的星系。它们聚焦于天空中看似空无一物的小块区域，揭示了无数星系的存在。现在，天文学家正在利用哈勃超深场和后续图像来揭示早期宇宙中大量超大质量黑洞的存在。

就理论而言，这些巨大的天体在数十亿年前不应该如此之多，然而哈勃超深场的这个结论很令人震惊。

哈勃超深场（HUDF）于 2004 年发布，图像在望远镜的 400 个轨道上曝光近 100 万秒。多年来，同一区域已经用其他波长进行了成像，并以其他方式进行了更新和完善。

哈勃望远镜多次重新拍摄了该区域的图像，天文学家将新图像与旧图像进行了比较，发现了更多宇宙早期的超大质量黑洞。

这些结果发表在《天体物理学杂志通讯》上一篇题为《宇宙黎明的微光：对最年轻超大质量黑洞的测光变异性调查》的论文中。论文的第一作者是瑞典斯德哥尔摩大学天文学系副教授马修-海斯（Matthew Hayes）。

超大质量黑洞位于像我们银河系这样的大星系中心。虽然黑洞本身并不可见，但被吸入黑洞的物质会聚集成一个吸积盘。当这些物质发热时，就会发出活动星系核的光。由于黑洞的馈源是零星的，因此在最初的 HUDF 中只能看到其中的一部分。通过在不同时间对同一星域进行重新成像，哈勃捕捉到了更多原本不可见的超大质量黑洞。

我们对远古宇宙及其星系如何演化的理解取决于几个因素。其中之一就是需要准确了解活动星系核的数量。活动星系核很难被发现，而这种方法克服了其中的一些障碍。

活动星系核可以发射X射线、射电和其他辐射，但它们并不总是很突出。“作者写道："这一领域所面临的挑战来自于这样一个事实，即在典型星系的光度范围内识别活动星系核在观测上是非常困难的。“作者写道："这导致超大质量黑洞可能被低估了，在高红移恒星形成星系群中，可能有大量的超大质量黑洞被忽视了。

作者的光度变异性方法规避了这一问题。由于活动星系核的物质吸积率是可变的，因此观测 活动星系核的输出变化是确定其数量的更好方法。“海斯和他的合作者写道："我们认为，超大质量黑洞质量吸积率的变化所产生的光度变异性可以为活动星系核提供完全独立和互补的探测。变异性监测从与超大质量黑洞相关现象的成像数据中直接选择活动星系核，不会出现任何光度预选（颜色、光度、紧凑程度等）的偏差"。

研究文章中的这张图显示了光度变化在探测 SMBH 方面的作用。它显示了在该领域发现的两个天体的光度变化：z = 2 时的 1051264（上半部分）和 z = 3.2 时的 1052126。图片来源：海斯等，2024

新论文介绍了初步结果，并展示了探测到的八个显示出变异性的有趣目标。这八个目标中有三个可能是超新星，两个是z = 2-3左右的明显活动星系核，还有三个可能是红移大于6的活动星系核。

这些发现意义重大，因为它们影响了我们对黑洞、黑洞如何形成以及黑洞在宇宙历史中的地位的理解。

天文学家了解恒星质量般的黑洞是如何形成的。他们还相信，超大质量黑洞是通过与其他黑洞合并才变得如此巨大的。他们甚至在寻找被称为中间质量黑洞的介于两者之间的黑洞方面也取得了进展。

由于天文学家认为超大质量黑洞是通过合并而形成的，因此现代宇宙中应该有更多的超大质量黑洞，而远古宇宙中的超大质量黑洞则相对较少。因为还没有足够的时间发生足够多的合并来产生超大质量黑洞。这就是为什么有其他理论来解释早期宇宙中的黑洞。

天文学家推测，早期宇宙中存在着一种不同类型的恒星。这些大质量的原始恒星只能在早期宇宙的主要条件下形成。它们可能会坍缩，成为巨大的黑洞。

另一种理论认为，宇宙早期的大质量气体云可能直接坍缩成黑洞。然而，还有一种理论认为，所谓的 “原始黑洞 ”可能是在宇宙大爆炸后的最初几秒钟通过纯粹的推测机制形成的。

哈勃超深场，标注处为一个超大质量黑洞。图片来源：海斯等

新的观察结果应有助于澄清其中的一些观点。

“早期黑洞的形成机制是星系演化之谜的重要组成部分，"研究的主要作者海斯说。“结合黑洞的生长模型，星系演化的计算现在可以建立在一个更有物理动力的基础上，运用精准的方案来说明黑洞是如何从坍缩的大质量恒星中产生的。”

作者在论文中解释说："这些数据资源首次通过测光变异性测量了再电离时期的超大质量黑洞数量。“他们说，在他们的工作中确定的来源表明，在这些红移中，黑洞数量是有史以来最多的。“作者写道："这一超大质量黑洞丰度也与本地宇宙中超大质量黑洞数量的估计值惊人地相似。

一些理论模型表明，在再电离时期存在着大量的活动星系核。韦伯空间望远镜向我们表明，超大质量黑洞和活动星系核的数量似乎比天文学家想象的要多。通过发现更多的超大质量黑洞和活动星系核，这项研究加深了我们对黑洞和宇宙演化的理解。

但还有更多的工作要做。研究人员认为，需要一个更大的高红移活动星系核样本来减少不确定性并加强他们的研究结果，而韦伯空间望远镜可以提供帮助。作者解释说：“韦伯空间望远镜需要通过变异性来推动对较暗活动星系核的探测，”并补充说，需要多年的监测才能做到这一点。

这项工作也凸显了哈勃空间望远镜对天文学的持续贡献。它的功能可能不如韦伯空间望远镜强大，但多年的观测使它也取得了不菲的成绩，并不断证明自己作为一个强大天文台的价值。

“相比之下，哈勃空间望远镜的深近红外成像已经延续了大约15年，为监测提供了一个极好的基线"。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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银河系中心超大质量黑洞的第一张照片（来源：EHT合作组织）

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