IT之家 1 月 4 日消息，當(dāng)天文學(xué)家深入觀測早期宇宙時，他們原本預(yù)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(jié)果卻揭示了一個完全超乎預(yù)料的現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的，它誕生于宇宙大爆炸之后僅 7 億年，質(zhì)量卻已經(jīng)達到了太陽的約 5000 萬倍。

它的存在挑戰(zhàn)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(jīng)形成。

該研究的作者之一、劍橋大學(xué)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(tǒng)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(guī)的宇宙天體

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

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(xué)家難以解釋為何宇宙早期會出現(xiàn)如此超大質(zhì)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(zhì)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(gòu)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(jīng)成長到了巨大的體量。

驗證一個早于發(fā)現(xiàn)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(shù)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(shù)也應(yīng)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(gòu)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(guī)律、恒星后續(xù)在其附近的形成過程，以及恒星死亡后釋放的物質(zhì)如何為黑洞的成長提供“養(yǎng)料”。

在這些模擬實驗中，研究人員以一個質(zhì)量約為太陽 5000 萬倍的大質(zhì)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(chǎn)生的物質(zhì)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(dāng)研究團隊將模擬結(jié)果與韋布望遠鏡的實際觀測數(shù)據(jù)進行比對時，發(fā)現(xiàn)二者高度吻合 —— 不僅最終的黑洞質(zhì)量一致，QSO1 周圍探測到的恒星數(shù)量和化學(xué)元素構(gòu)成也與模擬結(jié)果相符。

劉伯遠補充道：“這些新的觀測結(jié)果是傳統(tǒng)黑洞形成理論難以解釋的，這也讓早期宇宙中存在大質(zhì)量原初黑洞的可能性變得更為可信?！?/p>

黑洞的奧秘愈發(fā)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(jié)果是一致的。研究人員表示，這一結(jié)論令人鼓舞，因為標(biāo)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(yōu)化模擬模型，并與韋布望遠鏡未來的新發(fā)現(xiàn)進行比對。如果能發(fā)現(xiàn)更多類似 QSO1 的星系，就可能為“宇宙中部分超大質(zhì)量黑洞并非恒星演化的終末產(chǎn)物，而是誕生于宇宙之初”的觀點提供關(guān)鍵證據(jù)。

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

這意味著，在常規(guī)假設(shè)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(qū)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(zhì)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(fā)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(fā)表于 arXiv 預(yù)印本平臺。