最后解决了第一个超大质量黑洞的秘密！

几十年来这样大质量的早期超大质量黑洞已经困扰了天文学家。最后，我们终于弄清楚了它们怎样形成的。

STARTS WITH A BANG — JULY 7, 2022

Ethan Siegel

这个大约0.15平方度空间的视图揭示许多有大量的星系在团块和细丝中聚集在一起有很大的间隙或空隙将它们隔开的区域。每个光点都是一个超大质量黑洞，揭示这些宇宙天体刚好多无处不在的。这个空间区域被称为ECDFS，因为它成像由先前的扩展的钱德拉深场南部成像的天空的同一部分：同一空间的开创性X射线视图。观测到的最早的超大质量黑洞比我们预期的更“成熟”，这个问题呼叫一个物理解决方案。(Credit: NASA/Spitzer/S-CANDELS; Ashby et al. (2015); Kai Noeske)

关键要点

     按照大爆炸，宇宙在大约138亿年前进入存在：炽热、致密、迅速扩张，并且对它的否则均匀的密度只有一个微小的缺陷。

然而，甚至当我们回顾宇宙历史的第一个十亿年时，我们发现数百个质量达数亿甚至数十亿太阳质量的黑洞。

这是一个长期存在的难题：这些黑洞怎样如此早地形成并如此之快变得这么大的？经过多年的研究，我们已经终于破解了宇宙的密码。

如果你能看进地球上每个人类存在物的过去并看他们为当他们5岁时的样子你会看到什么？你会期望看到人们拥有各种各样的特征：一些矮和一些高，重量上一些重，一些轻，一些有大脚、一些有小脚等等。然而，尽管有这种多样性，你会完全期望他们都看起来像5岁的孩子。你会震惊地发现一个看起来像一个青少年、一个年轻人、甚至中年成年人的人。如果是这样的话，它会让你质疑-----恰好如此------是否你所看到的实际的反映现实。

但在宇宙中，这正是当我们观察包含黑洞的最早、最亮、最活跃的星系时所发生的事情。从理论上讲，这些应该被限制到：

你能多早形成第一批恒星（以及第一个黑洞）

你能从那些第一批恒星创造一个多大“种子”黑洞，

以及这些黑洞能质量增长有多快。

然而，不知怎的甚至在大爆炸后的最初几亿年里，我们看到远远超过这些限制质量允许的超大质量黑洞的证据。虽然花了19年的时间，但一组研究人员在《自然》杂志上的一篇新论文中声称已经弄清楚了这一切。这里是我们认为宇宙实际上怎样做到它的！

来自早期宇宙的过密区域随着时间增长和增长，但在它们的生长限制中受到过密度的初始小尺寸的限制，并且还受到仍然是高能的辐射的存在的限制，这阻止结构增长得更快。来形成第一批恒星需要数数十亿年的时间，然而，物质团块早在那之前就已经存在。(Credit: Aaron Smith/TACC/UT-Austin)

你必须意识到的第一件事是在热大爆炸的非常一开始，宇宙几乎是完美均匀的。如果你要在任何空间区域周围画一个球体------不管你的球体有多大------你会发现你已经包围了一定量的质量。然后，如果你采用相同大小的球体并包裹了1000个大小完全相同的不同区域，   

你会发现：

约683个区域的平均密度在99.997%~100.003%之间

约954个区的平均密度在99.994%~100.006%之间

约997个区域的平均密度在99.991%~100.009%之间

所有1000个区域的平均密度在99.988%~100.012%之间。

換句話說，甚至在那里的熱大爆炸開始時最密集的區域，只包含比平均水平稍微越发如此多一點的質量。

因此，随着早期宇宙中物质和辐射如何演变的物理学，我们能计算出我们预计甚至是最初最密集的区域将需要多长时间来收集到足够的物质来形成第一个坍塌的天体：恒星和恒星中的黑洞。当然，尽管这里有不确定性，但我们都同意，对第一批恒星来形成需要数千万年的时间，而宇宙中第一恒星形成的主要波要到1亿到2亿年已经过去后才会发生。

宇宙中形成的非常第一批恒星与今天的恒星不同：无金属、极端大质量，注定要成为被一个气体茧包围的超新星。(Credit: NAOJ)

一旦它们形成，这些第一批恒星中质量最大的恒星被预计只能存活很短量的时间：在它们的核心坦然并形成黑洞之前200万年或更短。鉴于当今宇宙中已知质量最大的单颗恒星------大麦哲伦星云狼蛛星云中的R136a1------重量约为太阳质量的260倍，能够合理地假设作为一个起点，最早的黑洞也可能以几百个太阳质量而来。

那么，最大的问题是我们能多早形成这些种子黑洞，以及随着宇宙演变它们能多快的增长和获得质量？

如果我们坚持时间光谱中的早期结束，我们可能能够刚好在大爆炸后1亿年形成它们。然后，如果你问它们怎样生长的，对单个质量通过积累周围的物质能多快生长有一个被物理定律设定的极限：爱丁顿极限。这允许我们想到来预测在一个给定的时间内应该多大质量黑洞被允许。这很伟大，因为然后我们需要做的就是出去测量为最早、最高能的类星体提供动力的超大质量黑洞的质量，来看是否我们的观测结果与我们预测的一致。

如果你从一个当宇宙只有1亿岁时最初的种子黑洞开始，有一个它能增长的速度限制：爱丁顿极限。要么这些黑洞开始时比我们的理论预期的更大，比我们意识到的更早形成，要么它们比我们目前的理解所允许的取得我们观察到的质量值更快增长度。检查类星体-星系混合体可能把持解开这个谜团的钥匙。(Credit: F. Wang, AAS237)

这就是谜团发生的地方。我们现在已经发现类星体有从5亿到略高于10亿个太阳质量的超大质量黑洞，其历史可以追溯回到宇宙只有大约7亿岁老：仅为其当前年龄的5%。

当我们这样做时，我们发现我们不仅正在看到众所周知的有各种身高、体重、脚的大小和其他属性的5岁人类。就好像这些5岁的孩子中的一些人和成熟的篮球运动员一样高，达到了我们没想到直到他们长大了很多他们来达到的体型。

换句话说，有些东西加不起来。这些最早的超大质量黑洞长的已经比我们预期的更大，它们应该已经给出我们知道关于宇宙的以及随着时间物理定律怎样起作用的。

在最近的过去，已经提出了许多想法来解释为什么，但它们都落入三类。

也许我们已经获得的种子大小和时间是正确的，但增长是错误的，黑洞质量的增长比我们意识到的更快。

也许我们有的种子大小都是错误的，更大的宇宙种子是可能的，被结构形成或最重恒星的初始质量远更大的过程驱动

或者，也许我们的图片偏离基数，宇宙实际上诞生有在任何恒星从来可以形成之前的黑洞：一组原始黑洞。

如果宇宙诞生有一个原始黑洞，这是一个完全非标准的场景，如果这些黑洞作为渗透我们宇宙的超大质量黑洞的种子，对未来的天文台如詹姆斯韦伯太空望远镜将会敏感地发现一些签名。(Credit: European Space Agency)

对于第一种选择，非球形吸积能造成黑洞比爱丁顿极限增长更快，但这种类型的吸积很难持续很长时间。即使我们允许爆发比预期更快的增长，仍然很难来解释为什么这么多超大质量黑洞------因为现在有大约200个在非常早期的宇宙时间发现的超大质量黑洞------都经历了这种持续存在纪元的罕见和短暂的条件。

对于第三种选择，这一开始作为一个非常没有吸引力的命题：我们必须假设一些新的、之前从未见过的物理学来在一个特定值的质谱中创造“尖峰”。为了制造一个原始黑洞，你需要有一个空间区域比在早期阶段膨胀的宇宙的密度平均值更大168%宇宙密度平均值。但请记住：我们刚刚说过太空中所有早期区域中约有100%在平均密度的99.988%至100.012%之间。除非你发明一些在一个非常小和特定的宇宙尺度上（而不是其他）上有超大幅度波动的新方法，这种场景是不可能通过的。

该图显示大麦哲伦星云中狼蛛星云的中心区域。年轻而密集的星团R136能被在图像的右下角看到。银河系对大麦哲伦星云施加的潮汐力正在引发那里的一个恒星形成浪潮，从而产生数十万颗新恒星。由恒星形成向宇宙注入的能量是在星系环境中加热物质的主要来源之一，但在有一颗非常大质量的恒星的地方，很可能有很多恒星都在同一个紧密排列的空间中。(Credit: NASA, ESA, and P. Crowther (University of Sheffield))

然而，人们仍然希望这个问题------或者更确切地说这个明显的问题------可能原来只是来自普通的、平凡的、普通的天体物理学。当然，在大爆炸后约1亿年的一个纪元里，一个几百个太阳质量的种子黑洞并不能完全完成这项工作，但如果我们能够制造出在同一时期、早期质量仅高出一百倍的种子黑洞，那将提供一条出路。如果宇宙能够在大爆炸后约1亿年左右诞生一个几万个太阳质量的种子黑洞，这将解决这个紧张。

早在第一批恒星形成之前宇宙的组成提供一个巨大的线索，表明这可能是可能的。今天，恒星是由气体云的坍塌形成的，主要由氢和氦组成，但拌有少量更重的元素：氧、碳、氮、氖、硅、硫、钙、镁和铁等。主要是那些重元素允许这些气体云来冷却和坍塌，产生一个平均质量为太阳40%的恒星。当然，我们也许能够形成一些质量为50、100甚至200太阳质量或更高的非常大的恒星，但其中刚好一小部分质量足以成为超新星和/或留下一个黑洞遗迹。

来自哈勃望远镜的可见光/近红外照片显示一颗质量约为太阳25倍的大质量恒星，它已经眨眼出了存在，没有超新星或其他解释。直接坍塌是唯一合理的候选解释，也是除了超新星或中子星合并之外首次形成黑洞的一种已知方法。(Credit: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU))

然而，在早期，恒星的形成将不得不以不同的方式进行。在没有任何这些重元素存在的情况下，来冷却试图引力上收缩的气体云的最有效方法仍然非常低效的：让中性的分子氢辐射掉热。由于如此低效的一个冷却手段，分子云必须变得质量更大才能坍塌，它们将形成的预期恒星平均比今天的恒星质量更大25倍。

在这些非常早期的阶段来形成数百甚至几千太阳质量的恒星可能是很常见的，这些恒星甚至可能不会成为超新星，它们很可能会直接坍塌，导致一个恒星的质量的100%变成一个黑洞。

鉴于：

我们已经看到恒星直接坍塌，

在质量最大的恒星所在的环境中，我们发现许多质量相当高的恒星，

并且第一批恒星是由超大质量分子云形成的，其中（可能）有许多质量约为1000太阳质量的恒星，

似乎合理的是，也许许多“种子”黑洞云形成，然后这些种子可以一起合并，导致一个起始黑洞，可能只是潜在的有足够的质量让我们摆动出来的开始。

对两个合并黑洞附近翘曲的空时的数学仿真。彩色波段是引力波波峰和波谷，随着波幅增加，颜色变得更亮。携带最大能量的最强波刚好出现在合并事件本身之前和期间。即使有大约1000个太阳质量的种子，也需要多次合并来解释最早的超大质量黑洞。(Credit: SXS Collaboration)

但甚至这种让我们更接近预期的结果场景摆出一个困难：我们如何让这些种子黑洞不会有引力相互作用要么迫使一个喷射要么相互作用从吸积所需的物质清除出星系中心足够快地合并在一起？

需要某些另外的东西。某些如果我们要依靠挥手把这个难题从依靠牢固理解的物理学和天体物理学转变来进入发挥作用的另外东西。这正是朴茨茅斯大学的丹尼尔·惠伦（Daniel Whalen）领导的这项新研究进来的地方。

通过模拟早期宇宙中的结构如何形成，包括暗物质、早期星团和中性气体流（即正常物质）并观察原始星系和星团如何在浮现的宇宙之网的背景中融合在一起，宇宙学家能监测大型、大质量的物质集合能在一个特定位置中聚集。几年前，这种方法能够揭示冷的超大质量气流将在这个原始宇宙之网的连接点碰撞，并且那个气体可以小体积上升到高密度，在一个特定位置包含多达约100000个太阳质量。

这个来自超级计算机模拟的片段显示刚好两个汇聚的冷气流之间超过100万年的宇宙演化。在这个短暂的间隔内，在大爆炸后仅1亿多一点的时间里，物质团块就会增长到拥有单个在最密集的区域包含数万个太阳质量的恒星。这可以为宇宙中最早、最大质量的黑洞提供所需的种子。(Credit: M.A. Latif et al., Nature, 2022)

但这些环境是罕见的，不能解释我们已经在当宇宙只有目前年龄的5%左右时发现的大约200多个非常大的类星体。这就是由朴茨茅斯小组的新模拟进来的地方。该团队能够证明在发生强的冷吸积流并汇聚的地方，它们都能突然触发密集的正常物质云的一下子突然坍塌，创造短命的恒星或直接坍缩质量从30000到40000个太阳质量不等的黑洞。

如上面的模拟片段所示，不需要任何精细调整机制来触发这种现象。虽然以前的研究引用了紫外线背景、超音速流运动或某种原子和分子冷却，但这项新研究表明了这些冷气体流导致大量的湍流，这阻止恒星的形成完全的发生，直到达到一个临界质量。然而，在超过这个质量阈值后，密集区域突然坍塌，这能触发单个天体的形成------恒星或黑洞------高达40000个太阳质量。一个研究小组首次仅用已知的非异域物理学已经成功地证明，在大爆炸后1亿多年一点的时间里所需的质量的种子黑洞能被创造。。

用许多天文台包括哈勃、斯皮策、钱德拉、XMM-Newton、赫歇尔、非常大望远镜等一起成像的大天文台起源深场-北部（GOODS-N）深场的这一小块包含一个看似不起眼的红点。这个天体是一个来自大爆炸后仅7.3亿年的类星体-星系混合体，可能是解开星系-黑洞演化之谜的钥匙。曾经是推测性的，黑洞的物理存在和无处不在的证据现在是压倒性的。(Credit: NASA, ESA, G. Illingworth (UCSC), P. Oesch (UCSC, Yale), R. Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawn Center/Niels Bohr Institute/University of Copenhagen, Denmark)

这种理论发展恰逢其时：刚好随詹姆斯微博太空望远镜的科学运作即将开始。它前所未有的能力之一将是检查它们的银河系环境中最早的黑洞，揭示它们怎样形成和成长的。这种新奇的场景，在那里冷气流碰撞来产生怪物大小的恒星能迅速形成高达数万个太阳质量的黑洞的地方将很快就会受到最终的考验。正如惠伦本人所指出的：

 “唯一可以在宇宙黎明后形成类星体的原始云，当宇宙中的第一批恒星形成时，也方便地创造了它们自己的大质量种子。这个简单而美丽的结果不仅解释第一个类星体的起源，还解释了它们的群口统计数据：它们在早期的数量。第一个超大质量黑洞只是在冷暗物质宇宙学中结构形成的一个自然结果：宇宙之网的孩子”。

近二十年来，天文学家一直困惑于这些在宇宙中最遥远的类星体中发现的超大质量黑洞怎样如此之快地长大的。这一新结果有力地支持了一种不需要新物理学的新型气体驱动场景。在接下来的几年里，甚至在接下来的几个月里，我们将确切地找出宇宙中最庞大的早期天体是如何成长的。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/first-supermassive-black-holes/