比太陽重5000萬倍：這個(gè)黑洞打破了星系形成規(guī)則

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)幾乎沒有恒星的星系中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量達(dá)5000萬倍太陽的天體，迫使天文學(xué)家重新思考黑洞的起源。

當(dāng)天文學(xué)家觀測宇宙早期時(shí)，他們通常不會(huì)預(yù)期看到完全成熟的宇宙天體，而應(yīng)是仍在艱難成長的小型星系、年輕恒星和黑洞。

然而，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的最新觀測卻揭示了完全出乎意料的現(xiàn)象——一個(gè)巨大的黑洞幾乎完全孤零零地存在，周圍幾乎沒有任何恒星。

這個(gè)天體位于名為Abell 2744-QSO1的星系中，形成于大爆炸后僅7億年，質(zhì)量卻已達(dá)到太陽的約5000萬倍。

它的存在挑戰(zhàn)了黑洞誕生的基本理論，并提出了一個(gè)有趣的可能性：某些黑洞可能在恒星形成之前就已存在。

研究作者之一、劍橋大學(xué)博士后研究員劉博淵表示：“這是一個(gè)謎題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)理論認(rèn)為恒星會(huì)先形成，或與黑洞同時(shí)形成?！?/p>

打破規(guī)則的宇宙天體

在標(biāo)準(zhǔn)天體物理學(xué)中，黑洞與恒星緊密關(guān)聯(lián)。恒星由坍縮的氣體云形成，而黑洞則要在最大質(zhì)量的恒星耗盡燃料后很久才會(huì)出現(xiàn)。

隨著時(shí)間的推移，這些黑洞通過吸積氣體或相互合并逐漸成長。這一過程需要時(shí)間，因此天文學(xué)家難以解釋為何在宇宙歷史如此早期就出現(xiàn)了質(zhì)量極大的黑洞。

而宿主星系QSO1讓這個(gè)問題更加棘手。它包含的恒星質(zhì)量極少，這意味著沒有足夠的恒星來解釋如此巨大黑洞的存在。

研究作者指出，這構(gòu)成了一個(gè)根本性矛盾：黑洞似乎在沒有首先構(gòu)建正常星系的情況下就長得如此巨大。

驗(yàn)證一個(gè)比發(fā)現(xiàn)本身更古老的理論

為了探索這一謎題，研究人員轉(zhuǎn)向了一個(gè)數(shù)十年前提出但從未被證實(shí)的理論——原始黑洞。這一假想天體由斯蒂芬·霍金和伯納德·卡爾在1970年代提出。

原始黑洞并非由垂死恒星形成，而是可能直接誕生于大爆炸后不久宇宙中的極端密度漲落。如果這類黑洞形成，大多數(shù)本應(yīng)體積極小且壽命短暫。

但劉博淵團(tuán)隊(duì)研究了是否有一小部分原始黑洞能在適宜條件下存活并快速成長。他們建立了新的、更復(fù)雜的模擬，追蹤初始原始黑洞周圍氣體的行為、后期恒星如何在其附近形成，以及恒星死亡后的物質(zhì)如何滋養(yǎng)這個(gè)成長中的天體。

在這些模擬中，研究人員從一個(gè)質(zhì)量約為太陽5000萬倍的原始黑洞種子開始，隨后追蹤氣體如何流入其中、恒星如何在附近形成，以及恒星爆發(fā)如何隨時(shí)間將物質(zhì)反饋給不斷增長的黑洞。

與早期簡化模型不同，這些模擬同時(shí)考慮了多個(gè)相互作用的過程。當(dāng)團(tuán)隊(duì)將模擬結(jié)果與真實(shí)的韋伯望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)對比時(shí)，發(fā)現(xiàn)高度吻合——不僅在最終黑洞質(zhì)量上，也在QSO1周圍探測到的少量恒星和化學(xué)元素組成上。

劉博淵補(bǔ)充道：“在常規(guī)（黑洞形成）理論難以解釋這些新觀測的情況下，早期宇宙中存在大質(zhì)量原始黑洞的可能性變得更可接受?！?/p>

黑洞變得更加引人深思

這些發(fā)現(xiàn)并未證明QSO1中的黑洞起源于原始黑洞，但表明這種起源與觀測結(jié)果一致。研究人員認(rèn)為這令人鼓舞，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型對這一天體完全束手無策。

接下來，他們計(jì)劃優(yōu)化模擬，并將其與未來韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行對比。如果發(fā)現(xiàn)更多類似QSO1的星系，或許能提供關(guān)鍵證據(jù)，表明宇宙中某些最大的黑洞并非恒星演化的終產(chǎn)物，而是誕生于宇宙黎明之初。

然而，一些問題仍有待解決。例如，典型的原始黑洞模擬很少能產(chǎn)生超過一百萬倍太陽質(zhì)量的天體，遠(yuǎn)小于QSO1中觀測到的約5000萬倍太陽質(zhì)量黑洞。

這意味著在通常假設(shè)下，原始黑洞很難快速成長到足以解釋如此極端的天體。

一種可能的解釋是，原始黑洞可能在早期宇宙中以密集群體的形式形成，使它們能更快地相互合并并增加質(zhì)量——但這一過程仍不確定且難以模擬。

另一個(gè)未解決的問題是，原始黑洞的形成可能需要高能輻射的強(qiáng)烈爆發(fā)——而目前在QSO1附近尚未發(fā)現(xiàn)此類輻射源。

該研究已發(fā)表于預(yù)印本平臺(tái)arXiv。

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