來(lái)源：環(huán)球科學(xué)

類星體J0313-1806的想象圖 圖片來(lái)源：NOIRLab/NSF/AURA/J,。 da Silva

　　撰文 | 王昱

　　審校 | 王飛格（主要參考論文作者）

　　黑洞除了能吸收光線，還能吸引天文學(xué)家好奇的目光,，它一直是天文領(lǐng)域的明星,。一般認(rèn)為，當(dāng)恒星質(zhì)量大于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量時(shí),，會(huì)在演化末期發(fā)生超新星爆炸,，而爆炸殘余物就是一個(gè)黑洞，這樣形成的黑洞不過(guò)5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量左右,。想要得到星系中心的超大質(zhì)量黑洞,，最流行的假設(shè)是將這些黑洞視作“種子”，通過(guò)吸積物質(zhì),、與其他黑洞合并不斷成長(zhǎng),。而近期發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)類星體，則在這種理論之外,，驗(yàn)證了一種全新的黑洞形成理論。

　　遙遠(yuǎn)的類星體

　　現(xiàn)在我們都知道宇宙正在加速膨脹,，離我們更遙遠(yuǎn)的天體會(huì)以更快的速度遠(yuǎn)離我們,，它們發(fā)出的光也會(huì)由于多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生紅移。而對(duì)于宇宙早期的天體,，其紅移z也能用于表示星系的距離——紅移越高,，對(duì)應(yīng)的距離也就越遠(yuǎn)。迄今為止,，只有三個(gè)類星體的紅移z超過(guò)了7.5,，全都是同一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的，其中新發(fā)現(xiàn)的J0313-1806就是本次的主角,。

　　J0313-1806的紅移達(dá)到了7.642,，也就是離地球130.3億光年遠(yuǎn)。我們今天看到的它發(fā)出的光,，是在宇宙大爆炸后6.7億年時(shí)發(fā)出的,。它是目前人類發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的類星體，比先前的紀(jì)錄保持者遠(yuǎn)了2000萬(wàn)光年,。

　　“類星體”這個(gè)名字來(lái)源于準(zhǔn)恒星狀電波源（quasi-stellar radio source）的縮寫,，20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)這種天體時(shí)，它們是可見光照片中類似恒星狀態(tài)的微弱光點(diǎn),，被認(rèn)定為未知的電波發(fā)射源,。它們的亮度非?？鋸垼倾y河系這樣普通星系的數(shù)千倍,。但是其發(fā)出的光變化非常迅速,，由光速有限推斷類星體的尺度不會(huì)超過(guò)太陽(yáng)系。也就是說(shuō),，數(shù)千倍于整個(gè)銀河系的能量集中在太陽(yáng)系大小的范圍內(nèi),，對(duì)此天文學(xué)家自然提出了多種假說(shuō)，其中最廣為接受的學(xué)說(shuō)是：類星體是活動(dòng)星系核中超大質(zhì)量黑洞吸積造成的,。

　　我們之所以能觀測(cè)到這么遙遠(yuǎn)的類星體,，重要的原因就是它擁有極高的亮度。J0313-1806的光度大約是1.4×1040W,，相當(dāng)于36萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng),。據(jù)推測(cè)，其中心有一個(gè)16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞,，大約是銀河系中心黑洞人馬座A*的400倍,。這個(gè)超大質(zhì)量黑洞平均每年吸入25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，劇烈的吸積除了讓它能向其所在星系內(nèi)吹出相對(duì)論性速度的炙熱等離子風(fēng)暴之外,，也是它如此明亮的原因之一,。

　　不過(guò)，也正是由于在遙遠(yuǎn)距離對(duì)應(yīng)的宇宙早期發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量如此大的黑洞,，暗示這個(gè)黑洞可能并不是按照傳統(tǒng)的黑洞形成模型誕生的,。

　　黑洞謎題

　　其實(shí)，對(duì)于超大質(zhì)量黑洞是如何產(chǎn)生的,，天文學(xué)家并沒有確定的結(jié)論。如果是按照最流行的小黑洞吸積,、合成成為大黑洞的方式,，其實(shí)存在很多問題亟待解決,。其中兩個(gè)比較顯著的問題就是中等質(zhì)量黑洞問題和宇宙引力波背景問題。

　　目前已經(jīng)確定質(zhì)量的黑洞大多分為兩類,，一種是不到100倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，一種則是超過(guò)100萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞,。而在100倍到100萬(wàn)倍中間，存在著一個(gè)巨大的缺口,。如果超大質(zhì)量黑洞是通過(guò)恒星級(jí)黑洞合并形成的,，那我們就不可能找不到中等質(zhì)量黑洞,。不過(guò)幸運(yùn)的是,，LIGO在去年公布了他們?cè)?019年首次發(fā)現(xiàn)的中等質(zhì)量黑洞，這是由兩個(gè)質(zhì)量分別為85倍和66倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞合并形成的142倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞,。隨著LIGO的精度一步步提高,，研究人員說(shuō)不定能發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的中等質(zhì)量黑洞，這個(gè)問題或許可以得到解決,。

圖片來(lái)源：LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky,， Aaron Geller / Northwestern

　　另一個(gè)問題是宇宙的引力波背景問題。如果超大質(zhì)量黑洞是通過(guò)小黑洞一步步合并而來(lái)的,，那么宇宙中必然充滿了黑洞合并產(chǎn)生的引力波,，其中也可能會(huì)有兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的引力波。許多引力波疊加成宇宙尺度的隨機(jī)引力波背景,，會(huì)對(duì)時(shí)空產(chǎn)生1年量級(jí)的周期性影響，通過(guò)對(duì)脈沖星進(jìn)行精確周期測(cè)量可以檢測(cè)出這種影響,。脈沖星計(jì)時(shí)陣列十幾年來(lái)鮮有進(jìn)展,，直到近期，北美納赫茲引力波天文臺(tái)（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves,，NANOGrav）在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上發(fā)表論文,，表明他們可能發(fā)現(xiàn)了1年量級(jí)的引力波背景。如果最終證實(shí)他們的數(shù)據(jù)不是由于誤差引起的話,，那么的確可能找到了來(lái)自超大質(zhì)量黑洞合并的證據(jù),。 

用脈沖星計(jì)時(shí)陣列或許能找到超大質(zhì)量黑洞合并的證據(jù) 圖片來(lái)源：NASA Goddard Space Flight Center

　　“大魚吃小魚”這種超大質(zhì)量黑洞形成理論雖然并沒有獲得決定性的證據(jù)，但至少看上去可能剛剛有所進(jìn)展,。并且由于精度問題,，引力波的探測(cè)范圍也不可能覆蓋到宇宙早期的原初種子黑洞。就算這些進(jìn)展都非?？煽?，對(duì)于宇宙早期超大質(zhì)量黑洞的形成，它們都是無(wú)能為力的,。但J0313-1806卻斬釘截鐵地告訴我們,，它所包含的黑洞源于不同的過(guò)程，而不可能是從小黑洞一步一步合并而來(lái)的,。

　　直接形成的黑洞

　　亞利桑那大學(xué)哈勃學(xué)者,、該研究論文的主要作者王飛格指出：“由第一代大質(zhì)量恒星形成的黑洞，不可能在幾億年內(nèi)長(zhǎng)到如此大的質(zhì)量,?！?/p>

　　從小質(zhì)量成長(zhǎng)為大質(zhì)量黑洞是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程,，根據(jù)他們的計(jì)算，就算這個(gè)黑洞早在宇宙大爆炸后1億年就已經(jīng)形成,，那么它至少也需要一個(gè)擁有1萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的種子黑洞,。但是對(duì)于極早期的宇宙來(lái)說(shuō)，第一代恒星產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量最大也不會(huì)超過(guò)幾百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,，所以這個(gè)超大質(zhì)量黑洞不可能是由小質(zhì)量的種子黑洞長(zhǎng)成的,。

　　論文合著者，亞利桑那大學(xué)天文系副主任樊曉暉教授表示：“這告訴你無(wú)論怎樣,，這個(gè)黑洞的‘種子’必須以不同的機(jī)制形成,。對(duì)于此次的黑洞，需要大量原初的,、冷的氫分子氣體直接塌縮成一個(gè)種子黑洞,。”

　　這是一種于2006年提出的黑洞形成理論,。暗物質(zhì)暈中在宇宙大爆炸核合成時(shí)期就形成的原初氣體,，在引力自束縛的條件下，由于失控的全局動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性,，快速失去角動(dòng)量向中心坍塌,。壓縮導(dǎo)致的高壓環(huán)境的確會(huì)點(diǎn)燃其中的核聚變，但整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量太過(guò)龐大,，中心溫度過(guò)高,，其散熱機(jī)制和恒星形成時(shí)存在巨大差異。中微子輻射在這一階段散熱非常有效,，快速冷卻核心,，從而導(dǎo)致中心黑洞的形成和快速生長(zhǎng)。這種機(jī)制不需要以第一代恒星為原料,，是唯一一種允許類星體J0313-1806中的黑洞在宇宙早期成長(zhǎng)到16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的機(jī)制,。

J0313-1806的質(zhì)量成長(zhǎng)起點(diǎn)已經(jīng)不可避免的落入了直接坍塌黑洞（direct-collapse black hole,，DCBH）的范圍 圖片來(lái)源：Feige Wang et al 2021 ApJL 907 L1

　　雖然直接由原初氣體塌縮形成的黑洞和流行的說(shuō)法并不一致,，但王飛格也沒有完全否定這種“大魚吃小魚”的方式，只是給出了另一種黑洞形成機(jī)制的可能,?！皩?duì)于我們近鄰宇宙中的超大質(zhì)量黑洞（比如銀河系中心的黑洞），我相信很多是由小質(zhì)量的黑洞逐漸合并形成的,，”王飛格這樣表示,，“當(dāng)然我們目前還缺少直接的觀測(cè)證據(jù)。”

　　除了研究黑洞本身的形成機(jī)制外,，最遠(yuǎn)類星體也是研究黑洞如何影響其宿主星系的好機(jī)會(huì),。類星體會(huì)在其宿主星系中產(chǎn)生高速星風(fēng)，而J0313-1806的星風(fēng)速度甚至高達(dá)20%光速,。亞利桑那大學(xué)的博士后研究員（Strittmatter學(xué)者）楊錦怡說(shuō)：“如此極端高速的外向流釋放的能量足以影響整個(gè)類星體宿主星系,?！崩碚撜J(rèn)為類星體的外向流會(huì)抑制其宿主星系中的恒星形成,，而該類星體宿主星系中的恒星形成率仍然很高，高達(dá)每年200個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,，而銀河系大約只有1個(gè),。這其中的緣由值得進(jìn)一步探索。

　　可以肯定的是,，未來(lái)的觀測(cè)還能為我們揭開更多關(guān)于類星體的秘密,，特別是計(jì)劃于今年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）。天文學(xué)家也希望未來(lái)能對(duì)宇宙早期的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行更深入的研究,，了解更多類星體外向流對(duì)其宿主星系的影響,，并進(jìn)一步探索早期宇宙中的大質(zhì)量星系是如何形成的。