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)存在了很長時間。

事實上，天文學家檢測到位于星系中心的極其明亮的致密源，被稱為類星體（快速增長的超大質(zhì)量黑洞），當時宇宙年齡不到 10 億年。

現(xiàn)在，我們的新研究發(fā)表在天體物理學期刊快報利用哈勃太空望遠鏡的觀測結(jié)果表明，早期宇宙中的黑洞比以前的估計要多得多（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期的要大。

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

因此，科學家們在解釋這些早期的大質(zhì)量類星體時面臨著一個挑戰(zhàn)：沒有太多的宇宙時間來喂養(yǎng)它們，它們要么生長得比物理上可能更快，要么出生時就出奇地大。

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.雖然對于低質(zhì)量的黑洞來說是合理的，但根據(jù)標準型號宇宙學。

黑洞肯定可以形成（現(xiàn)在由引力波天文學）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中，原則上可以迅速增長。正是這些黑洞的“恒星質(zhì)量種子”需要生長得太快。

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，我們對宇宙時間的前十億年中存在多少個星系有一個很好的了解。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，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間變化。我們監(jiān)測了一些最早的星系在 15 年期間的亮度變化，并利用它對那里有多少黑洞進行了新的普查。

事實證明，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——并防止了核點火。

因此，增長可以持續(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大的引力。這意味著這些“暗星”最終也應該坍縮形成大質(zhì)量黑洞。

我們現(xiàn)在相信，與此類似的過程應該發(fā)生，以形成我們在嬰兒宇宙中觀察到的大量黑洞。

未來計劃

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，這個領域才剛剛開始。

新的太空天文臺，例如Euclid 任務或南?！じ窭姿埂ち_曼太空望遠鏡，將盡早填補我們對較暗類星體的普查。這NewAthena 任務和Square Kilometer 數(shù)組澳大利亞，將揭示我們對早期圍繞黑洞的許多過程的理解。

但實際上，我們必須在短期內(nèi)關(guān)注 JWST。憑借其成像和監(jiān)測的靈敏度以及看到非常微弱的黑洞活動的光譜能力，我們預計未來五年將真正確定第一個星系形成時的黑洞數(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，但這需要天文學家協(xié)調(diào)和專注的努力。

馬修·海耶斯， 天體物理學副教授，斯德哥爾摩大學

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