摘要：科学家们发现的证据表明，在大爆炸后不到 10 亿年内存在的黑洞可能违背了物理定律，长到了可怕的尺寸。这一发现可以解开太空科学中最紧迫的谜团之一：早期宇宙中的超大质量黑洞是如何变得如此之大、如此之快的？

科学家们发现的证据表明，在大爆炸后不到 10 亿年内存在的黑洞可能违背了物理定律，长到了可怕的尺寸。这一发现可以解开太空科学中最紧迫的谜团之一：早期宇宙中的超大质量黑洞是如何变得如此之大、如此之快的？

质量是太阳数百万倍甚至数十亿倍的超大质量黑洞存在于所有大型星系的中心。它们被认为是从逐渐变大的黑洞之间的一系列合并中生长出来的，有时也是通过以周围的物质为食而形成的。这种供给的超大质量黑洞导致它们周围的物质（在称为“吸积盘”的扁平云中）发出如此明亮的光芒，以至于在很远的地方都能看到。这种明亮的天体被称为“类星体”，可以超过它们所在的星系中每颗恒星的总光。

然而，人们认为，使黑洞达到“超大质量状态”的过程发生在超过 10 亿年左右的时间尺度上——这意味着在大爆炸后 5 亿年左右看到超大质量黑洞驱动的类星体，就像詹姆斯·韦伯太空望远镜 （JWST） 一直在做的那样，构成了科学家需要解决的巨大问题（甚至是一个超大质量问题？

为了解开这个谜团，一组研究人员使用 XMM-Newton 和 Chandra 太空望远镜检查了 X 射线中发现的最早的 21 个类星体。他们发现，这些超大质量黑洞可能在被称为“宇宙黎明”的早期宇宙时期形成，可能通过强烈的喂食爆发或“吸积”迅速增长成可怕的质量。

这些发现最终可以解释超大质量黑洞是如何以类星体的形式存在于早期宇宙中的。

“我们的工作表明，在宇宙的前十亿年形成的第一个类星体中心的超大质量黑洞实际上可能已经非常迅速地增加了它们的质量，无视了物理学的极限，”领导这项研究的意大利国家天体物理研究所 （INAF） 的科学家 Alessia Tortosa 说。 在一份声明中说。

这些早期超大质量黑洞似乎沉迷于快速喂食，由于一个叫做“爱丁顿极限”的规则，被认为是违反定律的。

爱丁顿极限表示，对于太空中任何正在吸积物质的物体，在产生的光的辐射压力克服重力并迫使物质离开，阻止该物质落入吸积体之前，可以达到最大光度。

换句话说，一个快速盛宴的黑洞应该从周围环境中产生如此多的光，以至于它切断了自己的食物供应并停止了自己的生长。

该团队的发现表明，爱丁顿极限是可以定义的，超大质量黑洞可能会进入“超级爱丁顿吸积”阶段。这一结果的证据来自这些类星体发射的 X 射线光谱形状与从它们吹来的强大物质风的速度之间的联系，这种风的速度可以达到每秒数千英里。

图示显示了从早期超大质量黑洞流出的强大物质风。（图片来源：Roberto Molar Candanosa/约翰霍普金斯大学）

这种联系表明，类星体的风速与位于与该特定类星体相关的中心黑洞最近的 X 射线发射气体的温度之间存在联系。具有低能 X 射线发射的类星体，因此气体较冷，似乎具有移动速度更快的风。另一方面，高能 X 射线类星体的风似乎移动较慢。

因为靠近黑洞的气体温度与允许它吸积物质的机制有关，所以这种情况表明超大质量黑洞处于超爱丁顿阶段，在此期间它们会强烈进食，从而迅速增长。这可以解释超大质量黑洞是如何在宇宙 10 亿年之前就存在于早期宇宙中的。

“发现 X 射线发射和风之间的这种联系对于理解如此大的黑洞是如何在如此短的时间内形成的至关重要，从而为解决现代天体物理学最大的谜团之一提供具体线索，”托尔托萨说。

该团队使用的 XMM-牛顿数据是在 2021 年至 2023 年期间收集的，作为由 INAF 研究员 Luca Zappacosta 指导的多年 XMM-牛顿遗产计划的一部分，以及旨在研究宇宙黎明时超亮类星体的 HYPERION 项目。

“对于 HYPERION 计划，我们专注于两个关键因素：一方面，仔细选择要观察的类星体，选择泰坦，即那些积累了最大质量的泰坦，另一方面，深入研究它们在 X 射线中的特性，这在宇宙黎明时从未尝试过在这么多天体上，“扎帕科斯塔在声明中说。我们得到的结果确实出乎意料，并且都指向黑洞的超级爱丁顿型生长机制。

“我会说我们中了大奖！”

该团队的研究于周三（11月20日）在《天文学与天体物理学》杂志上发表。

来源：当代生命哲学家一点号