新研究揭示首批黑洞以惊人速度迅速成长的奥秘

使用詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的天文学家们不断发现同样不可思议的事情：古老的超大质量黑洞，这些怪物的质量是太阳的数百万倍，存在于宇宙刚刚诞生的时候。这是一个让研究人员感到困惑的悖论：它们是如何在如此短的时间内变得如此庞大的呢？

《自然天文学》上的一项新研究认为，早期宇宙可能和我们想的有些不同。其条件可能适合于“吞噬狂潮”。

爱尔兰梅努斯大学的博士候选人达克萨尔·梅赫塔在声明中说：“我们发现，早期宇宙中存在的混乱条件促使早期较小的黑洞在吞噬狂潮中迅速成长为我们后来看到的超大质量黑洞，这些黑洞吞噬了周围的物质。”

打破宇宙速度极限

梅赫塔和他的同事们通过运行异常精确的计算机模拟来得出这个结论，这些模拟展示了第一批星系。在这些数字宇宙中，最初作为第一代恒星残余的黑洞，有时会膨胀到大约一万倍太阳的质量。

“我们通过最先进的计算机模拟揭示，第一代黑洞——那些在大爆炸后仅几亿年内诞生的黑洞——增长速度惊人，达到了数以万计的倍数，”梅赫塔补充道。

这并不意味着每个早期黑洞都变成了巨型黑洞。但研究表明，让人意外的是，可能有不少黑洞已经具备了这样的潜力。

但这里有一个问题。黑洞应该有一个增长限制。

黑洞幼儿园

当气体向黑洞坠落时，会被加热并发出光芒。如果光芒变得足够强烈，它可以将来袭的气体推开。天文学家将这个平衡点称为爱丁顿极限，几十年来，它一直被视为黑洞增长的宇宙速度限制。但梅努斯团队的高分辨率模拟表明，早期宇宙似乎并不受这个规则的限制。

缺失的拼图块是一种特定类型的星：“第三类星”。团队通过对这些星的建模，捕捉到了之前模型遗漏的强烈增长阶段。

这些星被认为极其明亮、巨大且炽热，完全由氢和氦构成。这样的星被认为启动了化学元素的产生，这些元素是后续行星形成所必需的。在最高分辨率的模拟中，能够解析出约十分之一秒差距的结构——大致相当于星团内区域的规模——足够精细以追踪小黑洞周围的密集气体流动。

在这种情况下，第三类星是黑洞种子的“父母”。它们会成为快速增长的黑洞。

不需要重种子

直到现在，许多科学家认为黑洞必须在出生时就很大，以解释它们的巨大尺寸。这些被称为重种子。这项研究表明，情况并不是这样。

然而，这项研究表明，如果一颗第三代恒星在一个密集、寒冷的气体环境中留下种子星，那么这个种子星可以克服其小的初始体积。

简单来说：早期宇宙有时会让黑洞突破速度限制，如果条件合适。

“这一突破揭示了天文学中的一个重大难题，”团队的博士后研究员路易斯·普罗尔在一份声明中说。“也就是早期宇宙中诞生的黑洞，正如詹姆斯·韦伯太空望远镜所观察到的，是如何在如此短的时间内达到如此超大质量的。”

更深入地倾听

“这些微小的黑洞之前被认为太小，无法成长为早期星系中心所观察到的巨大黑洞，”梅赫塔说。“我们展示的结果是，这些早期黑洞虽然小，但在合适的条件下能够以惊人的速度成长。”

但仍然有许多未解之谜。为了弄清楚事情的真相，研究人员计划超越仅仅依靠望远镜。

如果这些混乱的进食狂潮像模拟所显示的那样普遍，我们应该能够通过引力波“听到”它们的生长——时空中的涟漪，这可能最终确认第一批巨型黑洞是如何诞生的。