研究發現早期宇宙中的黑洞比我們想像的還要多

超大質量黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也是最可怕）的天體之一，質量約為太陽的 10 億倍。我們知道它們已經存在很久了。

事實上，天文學家已檢測到位於星系中心的極度明亮的緻密源，稱為類星體（快速生長），當時宇宙的年齡還不到 10 億年。

現在我們的新研究發表在天體物理學雜誌通訊，利用哈伯太空望遠鏡的觀測結果表明，在宇宙中存在著更多（發光度低得多）的黑洞。比之前的估計建議的要多。令人興奮的是，這可以幫助我們了解它們是如何形成的，以及為什麼其中許多看起來比預期的更大。

黑洞是透過吞噬周圍的物質而生長，這個過程稱為吸積。這會產生大量的輻射。來自這種輻射的壓力設定了基本限制關於黑洞生長的速度。

因此，科學家在解釋這些早期的巨大類星體時面臨著一個挑戰：沒有太多的宇宙時間來餵養牠們，它們要麼生長得比物理上可能的速度快，要麼誕生時質量驚人。

輕質種子與重質種子

但黑洞到底是如何形成的呢？存在多種可能性。第一個就是所謂的原始黑洞自從大爆炸後不久就存在了。雖然對於低質量黑洞來說是合理的，根據宇宙學的標準模型，不可能大量形成。

黑洞肯定會在最後階段形成（現已被重力波天文學證實）一些正常大質量恆星的短暫壽命。如果在恆星和黑洞可能合併的極為密集的星團中形成，這樣的黑洞原則上會快速成長。正是這些黑洞的「恆星質量種子」需要快速成長。

另一種選擇是它們可以由“重種子”，其質量大約是已知大質量恆星的1,000 倍。其中一種機制是“直接塌縮”，其中一種未知的、不可見的物質（稱為暗物質）的早期結構限制了氣體雲，而背景輻射阻止它們形成恆星。

問題在於，只有少數暗物質暈長得夠大，足以形成這樣的種子。因此，只有當早期黑洞夠罕見時，這才可以作為解釋。

黑洞太多

多年來，我們已經很好地了解了宇宙最初十億年中存在多少個星系。但在這些環境中尋找黑洞極具挑戰性（只能證明發光類星體）。

儘管黑洞是透過吞噬周圍的物質來生長的，但這並不是以恆定的速度發生的——它們將其進食分解為“膳食”，這使得它們的亮度隨著時間的推移而變化。我們監測了一些最早的星系在 15 年期間的亮度變化，並利用這些數據對那裡有多少黑洞進行了新的普查。

事實證明，普通早期星系中存在的黑洞數量是我們最初想像的數倍。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JSTW) 最近的其他開創性工作已經開始得出類似的結論。總的來說，我們擁有的黑洞比直接坍縮形成的黑洞還要多。

還有另一種更奇特的形成黑洞的方法，可以產生大量且豐富的種子。恆星是由氣體雲的引力收縮形成的：如果有大量的氣體雲在收縮階段可以捕捉顆粒，然後內部結構可以完全修改——並且阻止了核子點火。

因此，生長的持續時間可能比普通恆星的典型壽命長很多倍，使它們變得更大。然而，就像普通的恆星和直接塌縮的物體一樣，沒有任何東西最終能夠承受壓倒性的引力。這意味著這些「暗星」最終也應該坍塌形成巨大的黑洞。

我們現在相信，應該發生類似的過程來形成我們在嬰兒宇宙中觀察到的大量黑洞。

未來計劃

對早期黑洞形成的研究在過去兩年中經歷了轉變，但從某種意義上說，這個領域才剛剛開始。

新的太空觀測站，例如歐幾裡得任務或南希·格雷斯·羅馬太空望遠鏡，將填補我們早期對較暗類星體的普查。這新雅典娜任務和平方公里陣列在澳洲和南非，將解鎖我們對早期圍繞黑洞的許多過程的理解。

但我們近期必須關注的確實是 JWST。憑藉其成像和監測的敏感性以及觀察非常微弱的黑洞活動的光譜能力，我們預計未來五年將在第一個星系形成時真正確定黑洞的數量。

透過目睹與第一批原始恆星坍縮相關的爆炸，我們甚至可以在現場看到黑洞的形成。模型表明這是可能的，但這需要天文學家的協調和專注的努力。

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