哈勃太空望远镜表明，我们的古代宇宙中异常拥挤着超大质量黑洞
哈勃太空望远镜表明，我们的古代宇宙中异常拥挤着超大质量黑洞（图片来源：美国国家航空航天局/欧洲航天局/M.Hayes（斯德哥尔摩大学）/J.DePasquale（STScI））
（蜘蛛网eeook.com）据美国太空网（Keith Cooper）：在宇宙黑暗时代，大量超大质量黑洞充斥着宇宙，这似乎大大超过了当时应该存在的数十亿太阳质量黑洞的估计。这一令人惊讶的发现是哈勃太空望远镜进行的14年研究的结果。
由斯德哥尔摩大学的Matthew Hayes领导的研究小组通过在哈勃超深场中搜寻任何似乎表现出可变亮度的微弱物体来寻找这些早期的超大质量黑洞。
哈勃超深场提供了对夜空中一小块区域的极其深入的观察——准确地说，是3.1平方弧分。它包含大约10000个来自宇宙历史不同时期的星系，其中最微弱的星系存在于宇宙年龄不到5亿年的时候。
海耶斯的团队研究了哈勃超深场的一个小样本，寻找任何可能随时间变化的亮度。这一标准背后的推理是，超大质量黑洞应该在大爆炸后不到10亿年内迅速增长，变得如此巨大，并且增长如此之快，它们应该迅速地以形成黑洞周围炽热明亮吸积盘的物质为食。天文学家更具体地称这些天体为AGN，或活动星系核，它们可以显著地超越其宿主星系的其他部分。
然而，物质流入AGN的速率并不是恒定的。就像河流一样，流量有时会激增，有时会变成涓涓细流。反过来，这会影响AGN的亮度。因此，海耶斯的团队在哈勃超深场中搜索了任何改变亮度的东西，因为这种变化可能表明存在活动星系核。
在他们的小搜索区域内，研究人员发现了71个可变来源。其中许多被视为宇宙只有几十亿年历史时的样子。一些选定的主题与视野中星系中的超新星爆炸有关，但其中三个来源确实似乎是127亿年前存在的AGN，当时宇宙的年龄还不到10亿年。
考虑到观测到的夜空斑块有多小，在如此早期的时间里发现三个AGN足够强大，可以标记出十亿个太阳质量的黑洞，这大大超出了人们的预期（相比之下，我们银河系中的超大质量黑洞人马座A*只有410万个太阳质量，它已经有超过130亿年的时间才能长大）。对整个天空进行外推也意味着得出这样的结论：在这个古老的宇宙时代，如此巨大的黑洞一定很丰富。它们数量的增加可能会为它们的形成提供强有力的线索。
斯德哥尔摩大学的Alice Young是Hayes团队的成员，她在一份声明中说：“这些物体中的许多似乎比我们最初认为的要大得多——要么形成得非常大，要么生长得非常快。”。
宇宙历史早期发现的星系中存在的超大质量黑洞之一。（图片来源：美国国家航空航天局/欧洲航天局/M.Hayes（斯德哥尔摩大学）/J.DePasquale（STScI））
其中一个遥远的AGN，标记为105212，在2009年至2012年间亮度增加了0.3等，但到2023年，它已经减弱了0.17等。经测量，它的红移为6.7，这意味着我们认为它大约存在于128亿年前。另一个AGN，编号为101159，红移为6.5，在2009年可见，但在2012年和2023年已经消失。不过，我们知道这是真的，因为詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）已经对这个AGN所在的宿主星系进行了成像。第三个高红移AGN是1052156，红移为6.2，在2009年至2012年间亮度变化了0.2个量级，到2023年已经消失在视线之外。
关于早期宇宙中超大质量黑洞是如何形成的，有很多假设。它们是在大爆炸后不久从微观的原始种子黑洞中诞生的吗？或者，它们是通过直接坍缩一个比我们的太阳大数千倍的巨大气体云而开始生长的？
海耶斯团队发现的早期宇宙中数十亿个太阳质量黑洞的数量密度实际上最符合模拟，这些模拟描绘了超大质量黑洞从第一颗超大质量恒星的坍缩中生长出来。这些恒星形成于宇宙中物质和暗物质的巨大“迷你光环”中，质量比我们的太阳大数千倍。
然而，这些原始恒星并没有以超新星的形式爆炸，而是通过自身的引力迅速坍缩，形成了所谓的中等质量黑洞（比今天超新星爆炸产生的典型恒星质量黑洞质量大，但比超大质量黑洞质量小）。这些第一批恒星可能在大爆炸后1.5亿到2亿年之间形成，并迅速开始消耗物质和生长。
形成的下一代恒星将无法形成如此巨大质量的黑洞，因为它们的诞生区受到附近其他恒星的紫外线照射，并受到附近超新星冲击波的冲击，这将改变恒星形成的条件。下一代恒星是更“正常”的恒星，其质量是我们今天在银河系中发现的典型恒星。
海耶斯说：“早期黑洞的形成机制是星系演化之谜的重要组成部分。”。“结合黑洞如何生长的模型，星系演化计算现在可以放在一个更具物理动机的基础上，为黑洞如何从坍缩的大质量恒星中形成提供一个精确的方案。”
如果解释正确，这些发现不仅可以让我们了解超大质量黑洞，还可以了解最早存在的恒星。下一步是用JWST更仔细、更深入地探索宇宙。然而，JWST于2021年12月发射，尚未有机会在足够长的时间内建立观测，以检测早期宇宙中AGN的变异性。JWST在2023年首次独立对哈勃超深场进行了成像，但正如海耶斯的团队在其研究论文中所写的那样，哈勃太空望远镜提供了一个良好的开端。
该发现于8月6日发表在《天体物理学杂志快报》上。
