▲ 图中放大部分为此次发现的黑洞所在的遥远星系GN-z11（图片来源：NASA/ESA）。
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  • 科学家发现了迄今最古老的黑洞，可以追溯到大爆炸之后4亿年，在如此早期的宇宙中形成如此大的黑洞，对现有的黑洞形成理论提出了挑战。
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文｜南方周末特约撰稿 鞠强
责任编辑｜朱力远
黑洞是宇宙中最神秘的天体，其形成和演化是天体物理学中的研究热点。得益于不断提升的观测能力，天文学家一直在宇宙的历史中向前回溯，寻找宇宙早期形成的黑洞，由此对黑洞的诞生进行更加深入的研究。
2024年1月17日，一个由英国剑桥大学领导的国际研究团队在《自然》（Nature）上发表论文，宣布他们利用詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）发现了迄今为止已知最古老的黑洞，其历史可以追溯到宇宙的“黎明时期”，即大爆炸发生后约4亿年，距今约为134亿年。
研究人员认为，在这样早期的宇宙中形成如此大的黑洞，对现有的黑洞形成理论提出了挑战。这篇论文的第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室和科维理宇宙学研究所教授罗伯托·马约利诺（Roberto Maiolino）称这个发现是“一个巨大的飞跃”。
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个头与年龄不符

这个黑洞所在的宿主星系编号为GN-z11，距离地球约134亿光年。这是一个致密星系，大小只有大约银河系的一百分之一。研究人员发现，这个黑洞正在猛烈地吞噬其宿主星系，从而阻止星系的生长，这也是这个星系这么小的原因。
黑洞无法被直接探测到，研究人员通过探测形成于黑洞边缘附近、围绕黑洞旋转的漩涡状吸积盘来确认黑洞的存在。当黑洞吞噬周围的气体时，吸积盘中的气体温度极高，会发出可见光并向外辐射能量。天文学家通过探测强烈的光和辐射信号来间接探测黑洞。例如，事件视界望远镜（EHT）发布的黑洞照片实际上显示的是围绕目标黑洞的吸积盘的形象。
这次观察到的这个黑洞质量约为太阳质量的600万倍，当这样的超大质量黑洞如宇宙中的饕餮一样大快朵颐时，会产生一个推力将附近的部分气体以极快的速度推远，这种高速喷流会逐渐清除黑洞周围即星系中心的气体和尘埃。寒冷的气体和尘埃云坍缩之后形成恒星，这就意味着黑洞在吞噬气体的同时给星系中恒星的形成过程踩下了刹车，阻止了星系的生长，并最终把星系推向演化的终点。与此同时，这也会切断黑洞自身的“食物来源”，黑洞的生长过程也最终会停止。
根据目前黑洞形成的主流模型，超大质量黑洞来自死亡恒星的遗迹，这些恒星在生命末期坍缩后会形成质量大约为100倍太阳质量的黑洞。天文学家相信，根据这个模型，那些栖居于星系中心的超大质量黑洞，比如我们银河系中心的黑洞，需要用数十亿年的时间来吞噬足够多的物质才能长到现在的大小。对这次观察到的这个黑洞来说，生长时间也需要10亿年左右。然而，这个黑洞的诞生距离宇宙大爆炸只有4亿年，有着与自身年龄不相符的个头。
马约利诺在剑桥大学官网上表示：“在非常早期的宇宙中看到这样大质量的黑洞，我们就要考虑黑洞形成的其他可能的方式。在非常早期的星系中充满大量的气体，它们对黑洞来说就像是一顿丰盛的自助餐。”
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生得大还是长得快

研究人员认为，如果想解释这个已知最古老黑洞的大小，有两个可行的思路：一个是这些黑洞生来就大，比由恒星坍缩形成的黑洞大得多；或者它们长得快，因为研究人员发现这个黑洞吞噬物质的过程远比晚些出现的黑洞剧烈得多，速度能达到此前理论估计速度的5倍。
两个思路中的前者被称作“重黑洞种子理论”。在这个理论中，黑洞形成可以跳过恒星坍缩后用数亿年吞噬物质并长大这个步骤，而是由巨大的寒冷气体和尘埃云坍缩然后直接形成一个重黑洞种子（heavy black hole seed），这个“种子”的质量是太阳质量的数百万倍。这样就相当于给可能长达数十亿年的黑洞演化过程按下快进键，在黑洞种子成长为超大质量黑洞的过程的一开始就占据领先。这个黑洞所具有的大质量也支持这样的理论。
第二个思路也具有竞争力。正如观测结果显示的那样，这个黑洞吞噬物质的速度要显著快于在早期宇宙中已经发现的其他黑洞吞噬物质的速度，这可以成为支持“小黑洞种子理论”的证据。研究团队估计，如果这个黑洞能够以这样的速度“狼吞虎咽”达到1亿年的话，那么它在形成之初就不必非要有一个重黑洞种子。他们认为，在大爆炸发生之后的2.5亿至3.7亿年间，这个黑洞可以起源于一个轻得多的恒星质量的黑洞种子，然后快速增长到天文学家观测到的大小。
詹姆斯·韦布空间望远镜是有史以来耗资最大的空间望远镜，备受天文学界的期待，而它在发射升空之后一年多的时间里已经在不断给天文学家带来惊喜。马约利诺表示：“这个一个新的纪元，在灵敏度特别是在红外波段实现了一次巨大的飞跃，就像在一夜之间从伽利略的望远镜升级到现代望远镜。在詹姆斯·韦布空间望远镜之前，当去探索哈勃空间望远镜探测范围之外的宇宙时，我觉得也许没那么有趣，但情况完全不是这样——宇宙正在展示给我们相当丰富的内容，而这还仅仅只是开始。”
詹姆斯·韦布空间望远镜具备的强大观测能力，意味着在未来数月或者数年的时间里，它可能会发现更加古老的黑洞。马约利诺和他的研究团队希望在未来使用这些观测数据去发现更小的黑洞种子，这将帮助他们真正搞清这些黑洞形成的方式——究竟是生来就大还是长得更快？
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