大爆炸之后,一切都发生得非常快。现在,在《自然》杂志上,一个国际天文学家团队刚刚发表了他们发现的已知最古老的黑洞,它在130多亿年前就已经存在了,距离宇宙大爆炸只有4亿年。在很短的时间内(在宇宙尺度上),它积累了几百万个太阳的质量。詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)使这一发现成为可能,它检验了试图解释此类天体如何形成和增长的理论。
这一发现是在GN-z11星系的中心发现的,该星系是由哈勃太空望远镜发现的,是迄今为止已知的最古老的星系。尽管它比银河系小25倍,恒星也只有银河系的1%,但它创造恒星的速度却快了20倍。它强烈的亮度表明,在它内部可能会发现一个强大的黑洞,就像在我们自己的星系一样。虽然这些天体不能直接观察到,但在它们附近积聚的气体被加热并释放出紫外线,从而揭示它们的存在。
该研究的主要作者、剑桥Kavli宇宙学研究所教授Roberto Maiolino认为,无论这些结果多么令人惊讶,都不需要新的宇宙学理论。“至少,现在还没有,”他说。他解释说:“超大质量黑洞的发现,其质量超过太阳质量的数十亿倍,在大爆炸后的第一个十亿年内就已经存在了,这是20年来一个令人困惑的结果。”新的观测结果确定了这些物体的较小的祖先,它们的增长速度已经看起来过高。
关于黑洞起源的一种理论是,当一颗比太阳大100倍的恒星耗尽核燃料并在自身引力作用下坍缩时,黑洞就出现了。然后,它们以周围的环境为食,开始积累质量,但是,要达到GN-z11星系中观测到的物体的大小,以附近黑洞的增长速度,需要数十亿年的时间。然而这个星系只有4亿年的历史。
在解释这些黑洞的模型中,一些专家说,虽然它们出生时很小,但早期宇宙有更多的气体可以为它们的生长提供燃料,它们的生长速度可能比之前认为的要快五倍。另一种假设是,它们也可能成为巨行星,这是原始气体云引力坍缩的结果。詹姆斯·韦伯有能力将我们带回宇宙的婴儿期,并发现更多的原始黑洞,这将有助于在未来几年重建这些有影响力的宇宙怪物的血统。
“星系中超大质量黑洞的存在非常重要,因为我们看到它们的特性与星系的特性有关,”该研究的合著者、西班牙马德里天体生物学中心的研究员米歇尔·佩纳(Michele Perna)说。他说:“这很奇怪,因为黑洞与星系的大小相比非常小,就像一欧元与地球的大小相比一样,而且它的质量也只是星系的一小部分,比如1%或更少。”尽管存在这些差异,黑洞的活动和它的星系之间还是有联系的,即这个相对较小的物体是如何决定星系中恒星诞生的速度和恒星形成的时间。
在GN-z11的例子中,天文学家认为黑洞可能会损害它的发展,因为它贪婪地消耗的一些气体会像飓风一样喷射到星系中,并可能阻止恒星的形成。如果发生这种情况,它将夺走银河系的生命,破坏它的食物来源。