長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)家都認(rèn)為：星系先形成，大質(zhì)量恒星耗盡燃料后坍縮成黑洞，再通過(guò)吞噬物質(zhì)和合并逐漸成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞。

但詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）最新觀測(cè)卻給出了一個(gè)驚人答案，在宇宙極早期，有些超大質(zhì)量黑洞可能是先天巨大，直接“出生”時(shí)就已非常龐大，甚至先于宿主星系存在。

這一發(fā)現(xiàn)被形容為“范式轉(zhuǎn)變”，正在重塑我們對(duì)黑洞形成和宇宙演化的理解。

01

傳統(tǒng)理論遇到的難題

根據(jù)經(jīng)典模型，黑洞起源于恒星坍縮。但科學(xué)家們一直困惑：宇宙誕生后僅幾億年，就已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，它們是如何在如此短的時(shí)間內(nèi)，從微小“種子”快速成長(zhǎng)起來(lái)的？

現(xiàn)在，答案或許有了新方向。

02

小紅點(diǎn)”QSO1：黑洞先于星系的證據(jù)

研究團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡，對(duì)一個(gè)名為Abell2744-QSO1（簡(jiǎn)稱QSO1）的“小紅點(diǎn)”（Little Red Dot）進(jìn)行了詳細(xì)觀測(cè)。該天體誕生于宇宙大爆炸后僅7億年。

詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡NIRCam拍攝的圖像顯示了“小紅點(diǎn)”Abell2744-QSO1。該天體被潘多拉星系團(tuán)（Abell 2744）引力透鏡放大，并呈現(xiàn)出三重影像。

圖源：NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)

盡管QSO1只有約1300光年寬，但由于被潘多拉星系團(tuán)（Abell 2744）引力透鏡放大并三重成像，它成為研究早期宇宙最理想的目標(biāo)之一。

觀測(cè)顯示：

QSO1的核心是一個(gè)質(zhì)量約為5000萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞； 這個(gè)黑洞至少占整個(gè)QSO1系統(tǒng)總質(zhì)量的三分之二；

其周圍主要是幾乎純凈的氫和氦氣體，幾乎沒有重元素（金屬豐度不到太陽(yáng)的0.5%），表明這里幾乎沒有恒星形成和演化的痕跡。

這意味著：黑洞可能先形成，星系還在它周圍慢慢“搭建”。

03

直接測(cè)量黑洞質(zhì)量：開普勒運(yùn)動(dòng)的證據(jù)

過(guò)去，對(duì)早期黑洞的質(zhì)量測(cè)量多為間接推斷，存在較大不確定性。此次，團(tuán)隊(duì)使用韋布望遠(yuǎn)鏡NIRSpec儀器的積分視場(chǎng)單元（IFU），直接繪制了圍繞黑洞的氫氣運(yùn)動(dòng)圖。

他們發(fā)現(xiàn)，氣體呈現(xiàn)完美的開普勒旋轉(zhuǎn)（Keplerian motion）：距離中心越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度越低，完全符合行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

劍橋大學(xué)研究生Ignas Juod?balis表示：“如果質(zhì)量主要分布在恒星上，氣體運(yùn)動(dòng)不會(huì)如此精確。只有當(dāng)絕大部分質(zhì)量集中在中心黑洞時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種完美的開普勒旋轉(zhuǎn)。”

通過(guò)這一運(yùn)動(dòng)規(guī)律，科學(xué)家首次在宇宙早期直接精確測(cè)定了黑洞質(zhì)量，確認(rèn)其確實(shí)高達(dá)5000萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量。

劍橋大學(xué)Roberto Maiolino教授稱這是非凡發(fā)現(xiàn)（remarkable finding），

“這是對(duì)黑洞如何形成和成長(zhǎng)的經(jīng)典場(chǎng)景的徹底重新審視。”

這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈支持“重種子”（heavy seed）理論——黑洞可能直接由巨大氣體云坍縮形成，或甚至起源于大爆炸后極早期的原初黑洞，而非通過(guò)恒星級(jí)黑洞逐步合并成長(zhǎng)。

更重要的是，它表明在宇宙早期，像QSO1這樣的“小紅點(diǎn)”可能并不罕見。黑洞可能普遍先于星系存在，并在之后逐漸“建造”出圍繞它們的星系。

參考

https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/