韦布望远镜发现早期宇宙巨型黑洞，挑战传统理论

IT之家 1 月 4 日消息，当天文学家深入观测早期宇宙时，他们原本预期不会看到完全成型的宇宙天体，而是只能看到尚在孕育中的小型星系、年轻恒星和黑洞。

然而，詹姆斯・韦布空间望远镜近期的观测结果却揭示了一个完全超乎预料的现象 —— 一个几乎孤立存在的巨型黑洞，其周围几乎没有任何恒星相伴。

这个天体是在一个名为阿贝尔 2744-QSO1 的星系中被发现的，它诞生于宇宙大爆炸之后仅 7 亿年，质量却已经达到了太阳的约 5000 万倍。

它的存在挑战了黑洞形成的基本理论，并引出了一种有趣的可能性：部分黑洞或许在恒星诞生之前就已经形成。

该研究的作者之一、剑桥大学博士后研究员刘伯远（Boyuan Liu，音译）表示：“这是一个难解的谜题，因为传统理论认为，恒星是先于黑洞形成的，或者二者是同步形成的。”

一个打破常规的宇宙天体

据IT之家了解，在标准天体物理学理论中，黑洞与恒星的形成密切相关。恒星由坍缩的气体云孕育而成，只有在质量最大的恒星耗尽燃料之后，黑洞才会随之出现。

随着时间推移，这些黑洞会通过吞噬气体以及相互合并的方式不断成长。这个过程需要漫长的时间，这也是天文学家难以解释为何宇宙早期会出现如此超大质量黑洞的原因。

宿主星系 QSO1 的存在让这个难题更显棘手。该星系的恒星质量极低，这意味着仅凭其中的恒星，完全无法解释如此巨型黑洞的存在。

研究作者指出，这构成了一个根本性的矛盾：这个黑洞似乎并没有先在其周围形成一个正常的星系，就已经成长到了巨大的体量。

验证一个早于发现本身的假说

为了破解这个谜团，研究人员将目光投向了一个数十年前提出但从未被证实的假说 —— 原初黑洞。这一假想天体是由史蒂芬・霍金与伯纳德・卡尔于 20 世纪 70 年代提出的。

与由濒死恒星坍缩形成的黑洞不同，原初黑洞是在宇宙大爆炸后不久，直接由宇宙中极端的密度涨落演化而来。这类黑洞即便真的存在过，绝大多数也应该体积微小且寿命短暂。

不过，刘伯远的团队探究了这样一种可能性：是否有一小部分原初黑洞得以幸存，并在适宜的条件下迅速成长。他们构建了全新且更为精密的模拟模型，用以追踪原始原初黑洞周围气体的运动规律、恒星后续在其附近的形成过程，以及恒星死亡后释放的物质如何为黑洞的成长提供“养料”。

在这些模拟实验中，研究人员以一个质量约为太阳 5000 万倍的大质量原初黑洞为“种子”，随后追踪气体向黑洞的流入过程、周边恒星的形成轨迹，以及恒星爆炸产生的物质在漫长时间里如何反哺黑洞的生长。

与早期简化的模型不同，这些新模拟同时兼顾了多种相互作用的物理过程。当研究团队将模拟结果与韦布望远镜的实际观测数据进行比对时，发现二者高度吻合 —— 不仅最终的黑洞质量一致，QSO1 周围探测到的恒星数量和化学元素构成也与模拟结果相符。

刘伯远补充道：“这些新的观测结果是传统黑洞形成理论难以解释的，这也让早期宇宙中存在大质量原初黑洞的可能性变得更为可信。”

黑洞的奥秘愈发引人入胜

这项研究并未证实 QSO1 中的黑洞起源于原初黑洞，但它表明这种起源假说与观测结果是一致的。研究人员表示，这一结论令人鼓舞，因为标准模型完全无法解释这个特殊的天体。

未来，他们计划进一步优化模拟模型，并与韦布望远镜未来的新发现进行比对。如果能发现更多类似 QSO1 的星系，就可能为“宇宙中部分超大质量黑洞并非恒星演化的终末产物，而是诞生于宇宙之初”的观点提供关键证据。

不过，仍有一些问题亟待解决。例如，在常规的原初黑洞模拟中，形成的天体质量很少能超过 100 万倍太阳质量，远小于 QSO1 中那个约 5000 万倍太阳质量的黑洞。

这意味着，在常规假设条件下，原初黑洞的成长速度很难快到足以形成如此极端的天体。

一种可能的解释是，原初黑洞或许形成于早期宇宙中密度极高的区域，这使得它们能够通过相互合并的方式，以更快的速度增长质量，但这一过程目前仍不明确，且难以通过模型进行精准模拟。

另一个悬而未决的问题是，原初黑洞的形成可能需要高强度的高能辐射爆发作为条件，但目前在 QSO1 附近尚未探测到任何此类辐射源。

该研究成果已发表于 arXiv 预印本平台。