韋布望遠鏡發現早期宇宙巨型黑洞，挑戰傳統理論

IT之家 1 月 4 日消息，當天文學家深入觀測早期宇宙時，他們原本預期不會看到完全成型的宇宙天體，而是只能看到尚在孕育中的小型星系、年輕恒星和黑洞。

然而，詹姆斯?韋布空間望遠鏡近期的觀測結果卻揭示了一個完全超乎預料的現象 —— 一個幾乎孤立存在的巨型黑洞，其周圍幾乎沒有任何恒星相伴。

這個天體是在一個名為阿貝爾 2744-QSO1 的星系中被發現的，它誕生于宇宙大爆炸之后僅 7 億年，質量卻已經達到了太陽的約 5000 萬倍。

它的存在挑戰了黑洞形成的基本理論，并引出了一種有趣的可能性：部分黑洞或許在恒星誕生之前就已經形成。

該研究的作者之一、劍橋大學博士后研究員劉伯遠（Boyuan Liu，音譯）表示：“這是一個難解的謎題，因為傳統理論認為，恒星是先于黑洞形成的，或者二者是同步形成的。”

一個打破常規的宇宙天體

據IT之家了解，在標準天體物理學理論中，黑洞與恒星的形成密切相關。恒星由坍縮的氣體云孕育而成，只有在質量最大的恒星耗盡燃料之后，黑洞才會隨之出現。

隨著時間推移，這些黑洞會通過吞噬氣體以及相互合并的方式不斷成長。這個過程需要漫長的時間，這也是天文學家難以解釋為何宇宙早期會出現如此超大質量黑洞的原因。

宿主星系 QSO1 的存在讓這個難題更顯棘手。該星系的恒星質量極低，這意味著僅憑其中的恒星，完全無法解釋如此巨型黑洞的存在。

研究作者指出，這構成了一個根本性的矛盾：這個黑洞似乎并沒有先在其周圍形成一個正常的星系，就已經成長到了巨大的體量。

驗證一個早于發現本身的假說

為了破解這個謎團，研究人員將目光投向了一個數十年前提出但從未被證實的假說 —— 原初黑洞。這一假想天體是由史蒂芬?霍金與伯納德?卡爾于 20 世紀 70 年代提出的。

與由瀕死恒星坍縮形成的黑洞不同，原初黑洞是在宇宙大爆炸后不久，直接由宇宙中極端的密度漲落演化而來。這類黑洞即便真的存在過，絕大多數也應該體積微小且壽命短暫。

不過，劉伯遠的團隊探究了這樣一種可能性：是否有一小部分原初黑洞得以幸存，并在適宜的條件下迅速成長。他們構建了全新且更為精密的模擬模型，用以追蹤原始原初黑洞周圍氣體的運動規律、恒星后續在其附近的形成過程，以及恒星死亡后釋放的物質如何為黑洞的成長提供“養料”。

在這些模擬實驗中，研究人員以一個質量約為太陽 5000 萬倍的大質量原初黑洞為“種子”，隨后追蹤氣體向黑洞的流入過程、周邊恒星的形成軌跡，以及恒星爆炸產生的物質在漫長時間里如何反哺黑洞的生長。

與早期簡化的模型不同，這些新模擬同時兼顧了多種相互作用的物理過程。當研究團隊將模擬結果與韋布望遠鏡的實際觀測數據進行比對時，發現二者高度吻合 —— 不僅最終的黑洞質量一致，QSO1 周圍探測到的恒星數量和化學元素構成也與模擬結果相符。

劉伯遠補充道：“這些新的觀測結果是傳統黑洞形成理論難以解釋的，這也讓早期宇宙中存在大質量原初黑洞的可能性變得更為可信。”

黑洞的奧秘愈發引人入勝

這項研究并未證實 QSO1 中的黑洞起源于原初黑洞，但它表明這種起源假說與觀測結果是一致的。研究人員表示，這一結論令人鼓舞，因為標準模型完全無法解釋這個特殊的天體。

未來，他們計劃進一步優化模擬模型，并與韋布望遠鏡未來的新發現進行比對。如果能發現更多類似 QSO1 的星系，就可能為“宇宙中部分超大質量黑洞并非恒星演化的終末產物，而是誕生于宇宙之初”的觀點提供關鍵證據。

不過，仍有一些問題亟待解決。例如，在常規的原初黑洞模擬中，形成的天體質量很少能超過 100 萬倍太陽質量，遠小于 QSO1 中那個約 5000 萬倍太陽質量的黑洞。

這意味著，在常規假設條件下，原初黑洞的成長速度很難快到足以形成如此極端的天體。

一種可能的解釋是，原初黑洞或許形成于早期宇宙中密度極高的區域，這使得它們能夠通過相互合并的方式，以更快的速度增長質量，但這一過程目前仍不明確，且難以通過模型進行精準模擬。

另一個懸而未決的問題是，原初黑洞的形成可能需要高強度的高能輻射爆發作為條件，但目前在 QSO1 附近尚未探測到任何此類輻射源。

該研究成果已發表于 arXiv 預印本平臺。