超大黑洞現(xiàn)身宇宙破曉之時(shí)

文/Mary Beth Griggs

很久很久以前，發(fā)生過(guò)一場(chǎng)大爆炸，創(chuàng)造出了宇宙和宇宙里的一切。此后長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年的時(shí)間里，所有東西都被黑暗所籠罩。然后，光出現(xiàn)了，恒星、氣體和星系全都開(kāi)始發(fā)亮了。

在宇宙最初的破曉時(shí)分，那些最明亮的光源里，有一個(gè)光源的核心處藏著一個(gè)饑渴的黑洞。這個(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)8億顆太陽(yáng)，出現(xiàn)在大爆炸后僅6.9億年時(shí)，當(dāng)時(shí)的宇宙仍是一個(gè)嬰兒。

在《自然》雜志上，愛(ài)德華多·巴尼亞多斯（Eduardo Baados）等人宣布發(fā)現(xiàn)了這個(gè)黑洞，J1342+0928以及與它共生的明亮類星體。這些天文學(xué)家在尋找宇宙早期存在黑洞的證據(jù)，但他們?nèi)匀槐贿@顆黑洞超大的尺寸給驚到了。

黑洞是宇宙中那些引力強(qiáng)大到?jīng)]有任何東西能夠從中逃脫的特殊區(qū)域。石頭逃不掉，氣體逃不掉，連光都逃不掉。在大黑洞的附近，物質(zhì)盤(pán)旋在黑洞周?chē)纬伤^的吸積盤(pán)。盤(pán)中的物質(zhì)以每秒上萬(wàn)公里的速度繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，那些塵埃和氣體就好像坐在通往末日的瘋狂旋轉(zhuǎn)木馬上，相互之間發(fā)生的摩擦能夠產(chǎn)生大量的熱量。

這些物質(zhì)本身都會(huì)盤(pán)旋著落入黑洞，再也不會(huì)被人看見(jiàn)，但它們摩肩接踵釋放的能量卻以明亮的光和熱的形式輻射到宇宙中。這些光使得巴尼亞多斯及其同事能夠發(fā)現(xiàn)那個(gè)類星體，并利用這些光估算出了J1342+0928驚人的質(zhì)量。

巴尼亞多斯說(shuō)，一個(gè)典型的黑洞，形成于恒星的坍縮，質(zhì)量應(yīng)該是太陽(yáng)的50倍-100倍。“就算你讓它自由成長(zhǎng)，從周邊環(huán)境中汲取氣體之類的物質(zhì)喂給它吃，讓它就這樣成長(zhǎng)6.9億年的時(shí)間，你也不可能養(yǎng)出這么大的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。”

想要弄清楚這個(gè)黑洞何以如此迅速地長(zhǎng)到這么巨大，巴尼亞多斯這樣的觀測(cè)天文學(xué)家必須同理論天文學(xué)家和天體物理學(xué)家合作。在這個(gè)過(guò)程中，他們還考慮了稍微寬泛一些的問(wèn)題，比如宇宙中所有一切的演化。巴尼亞多斯說(shuō)，“這個(gè)天體十分遙遠(yuǎn)，而且極其明亮，為研究早期宇宙提供了一個(gè)天然的實(shí)驗(yàn)室。”

在已被發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)類星體中，大約有半數(shù)是由巴尼亞多斯發(fā)現(xiàn)的，但這個(gè)類星體，雖然并不是質(zhì)量最大的，卻是所有類星體中距離最遠(yuǎn)的。由于光也需要時(shí)間來(lái)傳播，因此一個(gè)天體距離越遠(yuǎn)，我們觀測(cè)它時(shí)看到的宇宙就越早。如此看來(lái)，這個(gè)天體來(lái)自于宇宙的極早期，沒(méi)有任何其他科學(xué)家曾經(jīng)觀測(cè)過(guò)宇宙的那一階段。

“這個(gè)紀(jì)錄是很棒，但我們并不是為了創(chuàng)造記錄才來(lái)作這項(xiàng)研究的，”巴尼亞多斯說(shuō)，“這個(gè)類體星顯得非常成熟，如果它是宇宙里最早形成的類星體，那么我會(huì)非常非常驚訝。我希望我們或者其他人很快就能打破這一紀(jì)錄。”

這個(gè)類星體非常明亮，以至于它的亮度完全蓋過(guò)了它所在的星系，要比整個(gè)星系還要明亮超過(guò)1000倍。這并不是因?yàn)樾窍当旧硖^(guò)暗淡。巴尼亞多斯還與其他科學(xué)家合作，在《天文物理期刊通 訊》（The Astrophysical JournalLetters）上發(fā)表了另一篇論文，專注于這個(gè)大黑洞所處的那個(gè)星系。他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)星系里充斥著星際塵埃，每年可以產(chǎn)生相當(dāng)于100倍太陽(yáng)質(zhì)量的新恒星。相比之下，我們的銀河系每年只能產(chǎn)生1倍太陽(yáng)質(zhì)量的新恒星。

他們還對(duì)這個(gè)黑洞周邊的空間區(qū)域進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其中有一半充斥著未被電離的氫（正是這種物質(zhì)阻擋了光的傳播，使得宇宙在最初幾億年里陷入一片黑暗），另一半充斥著電離態(tài)的氫。這意味著，這個(gè)黑洞可能正好處在一個(gè)過(guò)渡時(shí)期，宇宙正從中性氫為主的階段向電離氫為主的階段轉(zhuǎn)變。

“這個(gè)過(guò)程如何發(fā)生，何時(shí)發(fā)生，對(duì)于后來(lái)的宇宙如何演化有著深遠(yuǎn)的影響。”巴尼亞多斯說(shuō)，“不過(guò)，我們還需要去搜尋更遠(yuǎn)更多的天體，來(lái)嘗試重復(fù)這一觀測(cè)。”

幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有了更好的機(jī)會(huì)去深入觀察早期宇宙的演化。2018年，巴尼亞多斯和世界各地的其他科學(xué)家將使用不同的望遠(yuǎn)鏡來(lái)更全面地觀察這個(gè)天體，同時(shí)在夜空中尋找其他來(lái)自宇宙早期的黑洞。

“我們是非常幸運(yùn)的一代，”巴尼亞多斯說(shuō)，“我們是第一批人類，擁有技術(shù)能夠研究宇宙中形成的第一批星系和黑洞的細(xì)節(jié)。如果這都不夠讓人著迷，我就不知道什么才能讓人著迷了。”