早期黑洞为何无法无天？

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翻译：王婧彧

校对：申振宇 杨宜修

审阅：李宜骅

美编：张荣娜

后台：胡永葳

原文链接：https://www.space.com/supermassive-black-hole-physics-big-bang

一个被发光气体和尘埃盘包围的超大质量黑洞

（图片来源：Emanuela Tortosa）

科学家发现的证据表明，在宇宙大爆炸发生后不到10亿年的时间内存在的黑洞，因其迅速膨胀至巨大规模，可能违反当前已知物理定律。这一发现可能解决空间科学中最紧迫的谜题之一：早期宇宙中的超大质量黑洞是如何如此快速地成长为庞然大物的？

相当于太阳质量数百万倍甚至数十亿倍的超大质量黑洞存在于所有大型星系的中心。它们被认为是通过一系列逐渐扩大的黑洞交融合并，以及部分吸积周围物质而形成的。这些“进食”的超大质量黑洞使周围的物质（位于称为“吸积盘”的扁平云中）发出明亮的光芒，从而能够在极远的距离上被观察到。这些明亮的天体被称为“类星体”，它们的亮度甚至可以超过它们所在星系中所有恒星光亮度的总和。

然而，超大质量黑洞达到“超大”状态的过程被认为需要超过10亿年的时间。这意味着，詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）发现的大爆炸后大约5亿年存在的超大质量黑洞驱动的类星体，对科学家们来说是一个巨大的难题（甚至可以说是“超大”的问题）。

为了解决这一谜团，一组研究人员利用XMM-Newton和钱德拉太空望远镜，用X射线光观测了21个迄今发现的最早类星体。他们发现，这些在“宇宙黎明”时期形成的超大质量黑洞可能通过一系列强烈的进食（或称“吸积”）过程迅速增长到巨大的质量。

这些发现最终可能解释为什么超大质量黑洞在早期宇宙中作为类星体存在。

“我们的研究表明，形成于宇宙头10亿年内的第一个类星体中心的超大质量黑洞，可能以非常快的速度增加质量，从而打破了物理学的限制，”领导该研究的意大利国家天体物理研究所（INAF）科学家阿莱西亚·托尔托萨（Alessia Tortosa）在一份声明中说道。

这些早期超大质量黑洞的快速“进食”之所以被认为违反了物理定律，是因为一种称为“爱丁顿极限”的规则。

答案在风中飘扬

爱丁顿极限规定，对于任何在太空中吸积物质的天体，当其发光达到一个最大值时，光的辐射压力将超过引力，从而迫使物质远离，进而停止吸积物质。

换句话说，一个快速“进食”的黑洞应该在其周围产生十分强的光，从而切断自己的食物来源并停止生长。

然而，这组研究团队的发现表明，爱丁顿极限是可以突破的，超大质量黑洞可能进入一种“超爱丁顿吸积”阶段。证据来自这些类星体发射的X射线光谱形状与其吹出的强大物质风速之间的联系——这些风速可达到每秒数千公里。

一幅插图展示了从早期超大质量黑洞中流出的强大物质风

（图片来源：Roberto Molar Candanosa/约翰霍普金斯大学）

这一联系表明，从类星体中吹出的风速与靠近中心黑洞的X射线发射气体的温度之间存在关系。低能量X射线类星体（气体较冷）的风速似乎较快，而高能量X射线类星体的风速则较慢。

由于靠近黑洞的气体温度与其吸积物质的机制有关，这一情况表明超大质量黑洞可能经历了一种超爱丁顿阶段，在此期间它们强烈地进食并快速增长。这可能解释了超大质量黑洞如何在宇宙未满10亿年时便已存在。

“X射线发射和风速之间的这种联系的发现，对于理解这些大型黑洞如何在如此短的时间内形成至关重要，这也为解决现代天体物理学最大谜题之一提供了具体线索，”托尔托萨说道。

研究团队使用的XMM-Newton数据是2021年至2023年间作为XMM-Newton多年遗产计划的一部分收集的，该计划由INAF研究员卢卡·扎帕科斯塔（Luca Zappacosta）指导。数据同时也是HYPERION项目的一部分，该项目旨在研究宇宙黎明时期的超亮类星体。

“在HYPERION计划中，我们专注于两个关键因素：一方面是对所观测类星体的仔细选择，挑选出那些积累了最大可能质量的‘巨人’，另一方面是对它们X射线特性的深入研究，这在宇宙黎明时期从未尝试过研究如此多的天体，” 扎帕科斯塔在声明中说道。

“我们获得的结果确实出乎意料，并且都指向一种超爱丁顿型的黑洞增长机制。我会说，这真是中了头彩！”

这项研究成果已于周三（11月20日）发表在《天文与天体物理》（A&A）期刊上。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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黑洞及吸积盘

图片来源： NASA GSFC/J. Schnittman

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