在探索宇宙起源的征程中,天文学家们近期借助詹姆斯・韦布空间望远镜,有了一项颠覆认知的重大发现。他们在一个名为阿贝尔 2744-QSO1 的星系里,观测到一个极为特殊的巨型黑洞,这一发现犹如一颗投入平静湖面的巨石,在天文学界激起层层涟漪。
这个黑洞诞生于宇宙大爆炸之后仅 7 亿年,质量却惊人地达到了太阳的约 5000 万倍。更令人费解的是,它几乎孤立存在,周围鲜有恒星相伴。这与天文学家原本的预期大相径庭,按照传统认知,在早期宇宙中,他们预期看到的应是尚在孕育中的小型星系、年轻恒星和黑洞,而非如此成熟且独特的巨型黑洞。
在标准的天体物理学理论框架下,黑洞与恒星的形成紧密相连。恒星由坍缩的气体云孕育而生,只有当质量最大的恒星耗尽燃料后,黑洞才会应运而生。随后,这些黑洞通过不断吞噬气体以及相互合并的方式逐渐成长壮大。然而,这一过程需要漫长的时间积累,这也使得天文学家对于宇宙早期出现如此超大质量黑洞的现象难以给出合理解释。
而宿主星系 QSO1 的情况,更是让这个难题雪上加霜。该星系的恒星质量极低,仅凭其中的恒星,根本无法解释这个巨型黑洞的存在。这就形成了一个根本性的矛盾:这个黑洞似乎在没有先形成正常星系的情况下,就已经成长到了巨大的规模。
为了解开这个谜团,研究人员将目光投向了一个数十年前提出却一直未被证实的假说——原初黑洞。这一假想天体由史蒂芬・霍金与伯纳德・卡尔在 20 世纪 70 年代提出。与由濒死恒星坍缩形成的黑洞不同,原初黑洞是在宇宙大爆炸后不久,直接由宇宙中极端的密度涨落演化而来。不过,这类黑洞即便存在过,绝大多数也应该体积微小且寿命短暂。
剑桥大学的研究团队大胆探究了一种可能性:是否有一小部分原初黑洞得以幸存,并在适宜的条件下迅速成长。为此,他们构建了全新且更为精密的模拟模型,用以追踪原始原初黑洞周围气体的运动规律、恒星后续在其附近的形成过程,以及恒星死亡后释放的物质如何为黑洞的成长提供“养分”。
在这些模拟实验中,研究人员以一个质量约为太阳 5000 万倍的大质量原初黑洞作为“种子”,随后细致追踪气体向黑洞的流入过程、周边恒星的形成轨迹,以及恒星爆炸产生的物质在漫长时间里如何反哺黑洞的生长。与早期简化的模型不同,这些新模拟同时兼顾了多种相互作用的物理过程。
当研究团队将模拟结果与韦布望远镜的实际观测数据进行比对时,惊喜地发现二者高度吻合。不仅最终的黑洞质量一致,QSO1 周围探测到的恒星数量和化学元素构成也与模拟结果相符。这一发现让早期宇宙中存在大质量原初黑洞的可能性变得更为可信,因为这些新的观测结果是传统黑洞形成理论难以解释的。
尽管这项研究并未确凿证实 QSO1 中的黑洞起源于原初黑洞,但它表明这种起源假说与观测结果是一致的。这一结论无疑给天文学界带来了新的思考方向,毕竟标准模型完全无法解释这个特殊的天体。
然而,在探索的道路上,仍有许多问题亟待解决。例如,在常规的原初黑洞模拟中,形成的天体质量很少能超过 100 万倍太阳质量,远小于 QSO1 中那个约 5000 万倍太阳质量的黑洞。这意味着,在常规假设条件下,原初黑洞的成长速度很难快到足以形成如此极端的天体。
一种可能的解释是,原初黑洞或许形成于早期宇宙中密度极高的区域,这使得它们能够通过相互合并的方式,以更快的速度增长质量。但这一过程目前仍不明确,且难以通过模型进行精准模拟。原初黑洞的形成可能需要高强度的高能辐射爆发作为条件,但目前在 QSO1 附近尚未探测到任何此类辐射源,这也给这一假说蒙上了一层神秘的面纱。
