類星體

宇宙中有一種特殊的星系，因其中心的黑洞瘋狂吞食周圍物質而發出極強的光芒，但因其發光區域比普通的星系小得多，乍看之下更類似于恒星，因此被稱為“”。人類通過觀測與分析，確認早期宇宙中的類星體中含有超級巨型的黑洞，它們的質量達到幾十億甚至上百億太陽那么重。這些黑洞如何在宇宙年齡不到10億年時就長成如此巨大的規模，一直是一個有爭議的熱門課題。不久前發表于《科學》(Science)雜志上的一項新研究，給出了一條新的線索[1]。

類星體與巨型黑洞

星系中心的巨型黑洞在吞食大量物質（氣體和塵埃），這些物質在落進黑洞的過程中相互摩擦、加熱，發出強烈的光芒

早在1960年，天文學家就發現了所謂的“類星體”，它們比星系小得多，遠遠看上去像是恒星，但亮度卻可以比整個銀河系還亮幾百倍以上。此后不久，就有理論天文學家解釋了類星體的發光原理：，就如非洲草原被獅子吃掉的斑馬臨死前發出悲鳴。

圖1：類星體的藝術想象圖。氣體和塵埃形成一個圍繞著中心黑洞的環，兩極形成噴流。圖片來源：NASA/ESA

發現了許多遠古時期的類星體

對于類星體的研究，最近一些年的一個重要進展是：。這些類星體在宇宙年齡僅10億年的時候就已經形成，并發出強光。比如，2015年，北京大學的吳學兵教授在《自然》 ( Nature)上發表論文[2]，宣布發現一個宇宙年齡僅9億年時(紅移為6.3)的類星體 SDSSJ010013.02+280225.8。要知道，當前宇宙的年齡大約為138億年，9億年只是宇宙的幼年期。更令人驚訝的是，。例如吳學兵教授發現的那個類星體里的黑洞，質量就達到120億倍太陽質量。作為對比，銀河系中心的黑洞的質量大約是400萬個太陽質量，只能算小字輩。

圖2：銀河系中心附近的一小塊區域的高清晰度圖。中心部分被放大到右上方，后者中心的橙色十字表示銀河系中心黑洞的位置，S2是一顆恒星，圍繞著中心黑洞旋轉?？茖W家們使用歐洲南天天文臺(ESO)的甚大望遠鏡(VLT)持續觀測了大約20年，發現多顆繞著共同中心旋轉的恒星，根據它們的軌道，計算出銀河系中心的黑洞質量大約是400萬個太陽那么重。銀河系中心的黑洞已經進入休眠狀態，因為它周圍足夠近的地方已經沒有多少氣體可以讓它吃了。事實上，類星體中心的黑洞吃完周圍的物質之后，也會進入休眠狀態。圖片來源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.

這些黑洞是如何在不到10億年的時間里長到那么大的？

銀河系內黑洞的成因很好解釋;但對于早期宇宙中那些幾十億個、甚至上百億個太陽那么重的黑洞，問題就來了：

難題：

極早期宇宙中，大塊的物質云因為自身內部的不均勻而開始結團，最終形成一個個巨大的恒星

關于這些比幾十億個太陽還重的超級巨型黑洞的來源，當前有個公認的看法：。這些恒星的質量是太陽的幾千倍以上，是所謂的“”。第一代恒星只要大約100萬年就會結束生命，直接收縮為黑洞。這些黑洞被稱為“種子黑洞”。

種子黑洞一方面會吃周圍的東西，另一方面還會和其他種子黑洞并合，成為更大的黑洞。通過幾億年的吞食與并合，種子黑洞就可以成為幾十億個太陽那么重的巨型黑洞。

這個理論看似很自然，但需要通過嚴格的計算和數值模擬來驗證。事實上，此前的很多模擬都遇到了不同程度的困難。為了能夠在不到10億年的時間里增長到幾十億個太陽那么重，要求種子黑洞就得有幾萬個太陽那么重。但是，如何形成這么重的種子黑洞呢?

這個方案假定早期宇宙中可以形成10萬個太陽那么重的氣體團，直接坍縮為黑洞

有一個方案似乎可以解決這個問題，。而這個理論的缺點是：必須假定這樣的氣體團附近有明亮的星系，而這并不容易實現。因此，早期黑洞種子的質量問題，一直存在爭議。