早期宇宙可能充滿了非常黑暗的空洞

超大塊體黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也是最可怕）的天體之一——其質(zhì)量大約是太陽的十億倍。我們知道他們已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。

事實(shí)上，天文學(xué)家檢測(cè)到位于星系中心的極其明亮的致密源，被稱為類星體（快速增長(zhǎng)的超大質(zhì)量黑洞），當(dāng)時(shí)宇宙年齡不到 10 億年。

現(xiàn)在，我們的新研究發(fā)表在天體物理學(xué)期刊快報(bào)利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果表明，早期宇宙中的黑洞比以前的估計(jì)要多得多（光度要低得多）。令人興奮的是，這可以幫助我們了解它們是如何形成的——以及為什么其中許多看起來比預(yù)期的要大。

黑洞通過吞噬周圍的物質(zhì)而生長(zhǎng)，這個(gè)過程稱為吸積。這會(huì)產(chǎn)生大量的輻射。這種輻射的壓力設(shè)置基本限制關(guān)于黑洞的生長(zhǎng)速度。

因此，科學(xué)家們?cè)诮忉屵@些早期的大質(zhì)量類星體時(shí)面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)：沒有太多的宇宙時(shí)間來喂養(yǎng)它們，它們要么生長(zhǎng)得比物理上可能更快，要么出生時(shí)就出奇地大。

輕種子與重種子

但是黑洞到底是怎么形成的呢？存在多種可能性。首先是所謂的原始黑洞在Big Bang 宇宙.雖然對(duì)于低質(zhì)量的黑洞來說是合理的，但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)宇宙學(xué)。

黑洞肯定可以形成（現(xiàn)在由引力波天文學(xué)）的最后階段一些正常大質(zhì)量恒星的短暫壽命.如果這種黑洞形成于恒星和黑洞可能合并的極其密集的星團(tuán)中，原則上可以迅速增長(zhǎng)。正是這些黑洞的“恒星質(zhì)量種子”需要生長(zhǎng)得太快。

另一種選擇是，它們可以從 ”重種子“，其質(zhì)量大約是已知大質(zhì)量恒星的 1,000 倍。其中一種機(jī)制是“直接崩潰”，其中未知的、不可見的物質(zhì)的早期結(jié)構(gòu)被稱為暗物質(zhì)受限的氣體云，而背景輻射阻止它們形成恒星。相反，它們坍縮成了黑洞。

問題是，只有少數(shù)暗物質(zhì)暈長(zhǎng)得足夠大，可以形成這樣的種子。所以，這只有在早期黑洞足夠罕見的情況下才能作為解釋。

黑洞太多

多年來，我們對(duì)宇宙時(shí)間的前十億年中存在多少個(gè)星系有一個(gè)很好的了解。但是在這些環(huán)境中尋找黑洞極具挑戰(zhàn)性（只能證明發(fā)光的類星體）。

盡管黑洞通過吞噬周圍的物質(zhì)而生長(zhǎng)，但這并不是以恒定的速度發(fā)生的——它們將食物分解成“食物”，這使得它們的亮度隨時(shí)間變化。我們監(jiān)測(cè)了一些最早的星系在 15 年期間的亮度變化，并利用它對(duì)那里有多少黑洞進(jìn)行了新的普查。

事實(shí)證明，存在于普通早期星系中的黑洞數(shù)量比我們最初想象的要多幾倍。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 （JSTW） 最近的其他開創(chuàng)性工作已經(jīng)開始得出類似的結(jié)論.總的來說，我們的黑洞比直接坍縮所能形成的黑洞要多。

還有另一種更奇特的形成黑洞的方法，可以產(chǎn)生既大又豐富的種子。恒星是通過氣體云的引力收縮形成的：如果在收縮階段可以捕獲大量暗物質(zhì)粒子，那么內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以完全修改——并防止了核點(diǎn)火。

因此，增長(zhǎng)可以持續(xù)許多倍于普通恒星的典型壽命，從而使它們變得更大。然而，就像普通的恒星和直接坍縮的物體一樣，沒有任何東西最終能夠承受強(qiáng)大的引力。這意味著這些“暗星”最終也應(yīng)該坍縮形成大質(zhì)量黑洞。

我們現(xiàn)在相信，與此類似的過程應(yīng)該發(fā)生，以形成我們?cè)趮雰河钪嬷杏^察到的大量黑洞。

未來計(jì)劃

早期研究黑洞Formation 在過去兩年中經(jīng)歷了轉(zhuǎn)變，但從某種意義上說，這個(gè)領(lǐng)域才剛剛開始。

新的太空天文臺(tái)，例如Euclid 任務(wù)或南希·格雷斯·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡，將盡早填補(bǔ)我們對(duì)較暗類星體的普查。這NewAthena 任務(wù)和Square Kilometer 數(shù)組澳大利亞，將揭示我們對(duì)早期圍繞黑洞的許多過程的理解。

但實(shí)際上，我們必須在短期內(nèi)關(guān)注 JWST。憑借其成像和監(jiān)測(cè)的靈敏度以及看到非常微弱的黑洞活動(dòng)的光譜能力，我們預(yù)計(jì)未來五年將真正確定第一個(gè)星系形成時(shí)的黑洞數(shù)量。

我們甚至可能通過目睹與第一批原始恒星坍縮相關(guān)的爆炸來捕捉黑洞的形成。模型表明這是可能的，但這需要天文學(xué)家協(xié)調(diào)和專注的努力。

馬修·海耶斯， 天體物理學(xué)副教授，斯德哥爾摩大學(xué)

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