比太阳重5000万倍：这个黑洞打破了星系形成规则

詹姆斯·韦伯太空望远镜在一个几乎没有恒星的星系中发现了一个质量达5000万倍太阳的天体，迫使天文学家重新思考黑洞的起源。

当天文学家观测宇宙早期时，他们通常不会预期看到完全成熟的宇宙天体，而应是仍在艰难成长的小型星系、年轻恒星和黑洞。

然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜的最新观测却揭示了完全出乎意料的现象——一个巨大的黑洞几乎完全孤零零地存在，周围几乎没有任何恒星。

这个天体位于名为Abell 2744-QSO1的星系中，形成于大爆炸后仅7亿年，质量却已达到太阳的约5000万倍。

它的存在挑战了黑洞诞生的基本理论，并提出了一个有趣的可能性：某些黑洞可能在恒星形成之前就已存在。

研究作者之一、剑桥大学博士后研究员刘博渊表示：“这是一个谜题，因为传统理论认为恒星会先形成，或与黑洞同时形成。”

打破规则的宇宙天体

在标准天体物理学中，黑洞与恒星紧密关联。恒星由坍缩的气体云形成，而黑洞则要在最大质量的恒星耗尽燃料后很久才会出现。

随着时间的推移，这些黑洞通过吸积气体或相互合并逐渐成长。这一过程需要时间，因此天文学家难以解释为何在宇宙历史如此早期就出现了质量极大的黑洞。

而宿主星系QSO1让这个问题更加棘手。它包含的恒星质量极少，这意味着没有足够的恒星来解释如此巨大黑洞的存在。

研究作者指出，这构成了一个根本性矛盾：黑洞似乎在没有首先构建正常星系的情况下就长得如此巨大。

验证一个比发现本身更古老的理论

为了探索这一谜题，研究人员转向了一个数十年前提出但从未被证实的理论——原始黑洞。这一假想天体由斯蒂芬·霍金和伯纳德·卡尔在1970年代提出。

原始黑洞并非由垂死恒星形成，而是可能直接诞生于大爆炸后不久宇宙中的极端密度涨落。如果这类黑洞形成，大多数本应体积极小且寿命短暂。

但刘博渊团队研究了是否有一小部分原始黑洞能在适宜条件下存活并快速成长。他们建立了新的、更复杂的模拟，追踪初始原始黑洞周围气体的行为、后期恒星如何在其附近形成，以及恒星死亡后的物质如何滋养这个成长中的天体。

在这些模拟中，研究人员从一个质量约为太阳5000万倍的原始黑洞种子开始，随后追踪气体如何流入其中、恒星如何在附近形成，以及恒星爆发如何随时间将物质反馈给不断增长的黑洞。

与早期简化模型不同，这些模拟同时考虑了多个相互作用的过程。当团队将模拟结果与真实的韦伯望远镜数据对比时，发现高度吻合——不仅在最终黑洞质量上，也在QSO1周围探测到的少量恒星和化学元素组成上。

刘博渊补充道：“在常规（黑洞形成）理论难以解释这些新观测的情况下，早期宇宙中存在大质量原始黑洞的可能性变得更可接受。”

黑洞变得更加引人深思

这些发现并未证明QSO1中的黑洞起源于原始黑洞，但表明这种起源与观测结果一致。研究人员认为这令人鼓舞，因为标准模型对这一天体完全束手无策。

接下来，他们计划优化模拟，并将其与未来韦伯望远镜的发现进行对比。如果发现更多类似QSO1的星系，或许能提供关键证据，表明宇宙中某些最大的黑洞并非恒星演化的终产物，而是诞生于宇宙黎明之初。

然而，一些问题仍有待解决。例如，典型的原始黑洞模拟很少能产生超过一百万倍太阳质量的天体，远小于QSO1中观测到的约5000万倍太阳质量黑洞。

这意味着在通常假设下，原始黑洞很难快速成长到足以解释如此极端的天体。

一种可能的解释是，原始黑洞可能在早期宇宙中以密集群体的形式形成，使它们能更快地相互合并并增加质量——但这一过程仍不确定且难以模拟。

另一个未解决的问题是，原始黑洞的形成可能需要高能辐射的强烈爆发——而目前在QSO1附近尚未发现此类辐射源。

该研究已发表于预印本平台arXiv。

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