摘要：在早期宇宙中发现了一个前所未有的黑洞。它巨大无比，看起来几乎是独立的，周围几乎没有恒星环绕。这个物体可能代表着一类全新的巨大“裸”黑洞，颠覆了人们对年轻宇宙的教科书式理解。

詹姆斯·韦伯太空望远镜在早期宇宙中发现了一个孤独的黑洞，其质量相当于5000万个太阳。这一重大发现颠覆了关于年轻宇宙的理论。

一个超大尺寸黑洞——在这张詹姆斯·韦伯太空望远镜图像中出现了三次——神秘地出现在早期宇宙中，周围没有星系。

Quanta Magazine；资料来源：JWST/NASA/ESA/CSA 和 Lukas Furtak

在早期宇宙中发现了一个前所未有的黑洞。它巨大无比，看起来几乎是独立的，周围几乎没有恒星环绕。这个物体可能代表着一类全新的巨大“裸”黑洞，颠覆了人们对年轻宇宙的教科书式理解。

罗伯托·马约利诺说：“这完全超出了正常范围。”（打开新标签页）他是剑桥大学的天体物理学家，在8 月 29 日发布的预印本中帮助揭示了该物体的性质（打开新标签页）“这太令人兴奋了。它信息量很大。”

“它正在突破我们认为可能真实的事情、我们认为可能发生的事情的界限，”戴尔·科切夫斯基说（打开新标签页）科尔比学院的天文学家，并未参与这项新研究。

天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到了这个裸露的黑洞。JWST是由美国宇航局（NASA）及其合作伙伴建造的巨型仪器，其部分目的是为了揭示星系在宇宙最初十亿年是如何形成的。这个新发现的黑洞质量相当于5000万个太阳，被命名为QSO1，这与过去关于星系形成过程的临时说法相矛盾，因为之前的理论认为黑洞并非始于黑洞。人们认为，黑洞的出现是星系恒星在引力作用下坍缩成黑洞，然后黑洞合并并不断生长之后。但迈奥利诺和他的同事描述了一个孤独的庞然大物，看不到任何母星系。

现在的问题是这个黑洞是如何形成的。

剑桥大学的罗伯托·马约利诺 (Roberto Maiolino) 领导了一项研究，最终确定了这个新物体。

罗伯特·马约利诺 (Roberto Maiolino) 友情提供

最令人兴奋——也最具争议——的可能性可以追溯到英国物理学家斯蒂芬·霍金在1971年提出的一个假设：黑洞诞生于宇宙大爆炸本身的原始汤中。在这种情况下，黑洞自宇宙诞生之初就一直处于黑暗之中，等待着恒星和星系的到来。

QSO1 是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在最初几年对时间深处进行探索时发现的数百个外观相似的、被昵称为“小红点”的天体之一。天体物理学家目前尚无法确定这些小点是否都是黑洞，而且总体而言，他们对宇宙混乱的童年时期仍然感到困惑。但该望远镜拍摄的快照表明，宇宙早期可能是一个喧闹的时期，它同时或独立地形成了巨大的黑洞和星系，甚至可能是一个黑洞是最早存在的大型结构之一的宇宙——就像一杯原本混合均匀的宇宙茶里，冒出了一些黑色的木薯泡。

QSO1 和其他小红点“告诉我们我们什么都不知道，”约翰·里根说（打开新标签页）爱尔兰梅努斯大学的理论家。“这真的令人兴奋，对这个领域来说非常激动人心。”

以色列本-古里安大学的天文学家卢卡斯·富尔塔克（Lukas Furtak）在看到QSO1的那一刻就知道它非同寻常——或者说，在詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2023年拍摄的图像中，他看到QSO1的三个倒影隐藏在零星散布的白色星系中，那一刻就知道了它非同寻常。富尔塔克通过Zoom视频会议系统，点击了三个几乎难以察觉的红色斑点，说道：“它‘一眼就看出来’。这里、这里，还有这上面，有三个红色的点源。”

在这幅图像中，星系和暗物质的偶然位置使来自背景天体的光线像玻璃透镜一样发生弯曲；这种“引力透镜”揭示了早期宇宙中比望远镜原本能够看到的更深的天体。透镜会放大并拉伸其背后的物质，有时会形成多个图像。富尔塔克正在绘制透镜投射到多个位置的香蕉状星系斑块，这时他发现了QSO1的三个红点。

这些点引起了他的注意，因为它们没有拉伸的迹象。他知道，即使拉伸后，唯一看起来像小圆点的东西，其实是一个更小、更圆的点。他心想，这肯定不是星系；它一定是个黑洞，质量密度极高，以至于它的引力在它周围形成了一个无法逃脱的空间区域。

在接下来的六个月里，富尔塔克和他的同事们引导詹姆斯·韦伯太空望远镜分别对这三个红点进行40小时的观测，以统计来自该物体的光的颜色，也就是光谱。这项研究得出的结论是（打开新标签页）QSO1 很可能是一个发光黑洞，其质量相当于数千万个太阳，直径最多为 100 光年，这在宇宙诞生仅 7.5 亿年时是可以观察到的。（如今，宇宙的年龄已接近 140 亿年。）

2021 年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了早期宇宙中数百个奇异的黑洞和星系，揭示了宇宙最初十亿年的混乱历史。

美国宇航局/MSFC/David Higginbotham

QSO1 是最早发现的小红点之一。目前已有超过 300 个这样的小红点（打开新标签页），关于其性质的激烈争论已经持续了两年。它们具有一些发光黑洞的典型特征，但又不具备其他特征。而且，迄今为止，对它们质量的估计也较为间接。因此，一些天体物理学家——就像一个研究小组在对100多个小红点进行分析时所指出的那样——提出了这样的论点。（打开新标签页）八月份，科学家们发现这些物体实际上只是一些外形奇特的星系，并没有黑洞。

“这个领域一直对它们着迷，”科切夫斯基说。“你很少发现无法解释的事情。”

2024 年 12 月，Maiolino 与Hannah Übler（打开新标签页）现就职于马克斯·普朗克地外物理研究所的JWST（詹姆斯·韦伯太空望远镜）和其他合作者又用QSO1对JWST进行了10个小时的训练。他们不断放大这个点，直到它变成一个像素化的斑点，并测量每个像素发出的特定颜色。根据这些光谱，他们计算出每个像素中发光物质向我们移动或远离我们的速度。科学家们发现，明亮的物质——很可能是热气体——在一个剧烈的漩涡中旋转，这支持了富尔塔克的初步发现。

他们的近距离观察，详见一对（打开新标签页）预印本（打开新标签页）五月和八月发布，明确揭示了 QSO1 的身份。

其中一个线索是它的质量。通过重建涡旋，研究团队直接测量了它所绕行物体的质量：比我们的太阳质量大5000万倍。这与Furtak等人的发现相符。（仅凭这一结果就标志着向前迈出了一大步：它表明，基于整个物体光谱的更简单的间接质量测量方法也适用于年轻黑洞，而这曾是一个争议点。）

到目前为止，人们已经发现了 300 多个“小红点”——早期宇宙中的神秘物体，它们在某些方面看起来像巨大的发光黑洞，在其他方面看起来像不寻常的星系。

Jorryt Matthee提供 （打开新标签页）. 数据来自 EIGER（打开新标签页）/弗雷斯科（打开新标签页） 调查

此外，该团队没有发现QSO1周围存在恒星星系的证据。气体围绕中心像素运行，就像地球绕太阳运行一样——这表明质量聚集在一个点上。该团队估计，黑洞至少占QSO1质量的三分之二，其余三分之一是气体，或许还有少量恒星。Regan没有参与这项研究，他认为他们的估计过于保守，QSO1中黑洞的含量可能高达90%。“我们以前从未见过这样的事情，”他说。

最后，逐像素光谱还揭示了围绕黑洞运行的气体本质上是纯氢，这种元素可以追溯到大爆炸时期。恒星通过将氢融合成更重的原子而发光，而当恒星爆炸时，它们会将这些更重的元素散射到各处。QSO1 似乎在许多附近恒星诞生和消亡之前就达到了目前的形态。

“最合理的解释似乎是，黑洞在星系形成之前就已经形成了，”玛塔·沃隆特里说道（打开新标签页）他是巴黎天体物理研究所的理论家，曾协助对 QSO1 进行新分析。

天体物理学家当前的首要任务是弄清楚QSO1及其同类黑洞是如何形成的，以及它们是如何演变成如今位于恒星星系中心的超大质量黑洞的。超大质量黑洞的质量可达数十亿个太阳质量，在宇宙诞生后的最初十亿年末，它们可以锚定星系。

超大质量黑洞长期以来一直困扰着天体物理学家。他们知道，当星系中的大型恒星燃烧并死亡时，它们会形成黑洞。这些恒星的残骸会合并，吸收气体和尘埃，不断膨胀。传统的理论认为，这种增长最终会在星系中心形成一个巨大的黑洞。问题在于，所有这些吸收和合并过程都需要时间，天体物理学家很难想象它发生的速度足够快，以至于在宇宙诞生十亿年后，我们能够看到那些超大质量黑洞。因此，理论物理学家们花了几十年时间，提出了一系列关于黑洞形成的替代理论。

以色列本·古里安大学的天文学家卢卡斯·富尔塔克 (Lukas Furtak) 立即在一片明亮的白色星系中发现了 QSO1。

莎拉·利巴诺尔

现在 QSO1 中没有任何星系，这表明确实存在另一种方式。

那么宇宙如何直接制造巨大的黑洞呢？马约利诺的团队赞同霍金的提议。（打开新标签页）大爆炸产生了一个婴儿宇宙，它在某些地方比其他地方密度更大。足够大的密度可能会直接坍缩成一个黑洞，然后黑洞会通过吸收周围的物质而不断膨胀。数亿年后，其中一些“原始”黑洞可能已经达到了巨大的规模——看起来很像QSO1。

“这是我看到的最合理的解释，”沃隆泰里说。但“我敢肯定，在接下来的六个月里，会有上千人提出其他理论。”

他们不用等六个月。甚至在 QSO1 被发现之前，Priyamvada Natarajan（打开新标签页）耶鲁大学理论天体物理学家及其合作者已经发表了两种可以解释 QSO1 起源的非原始理论。

许多理论可以解释QSO1的神秘起源。耶鲁大学的理论家Priyamvada Natarajan参与发展了其中一些理论。

萨沙·马斯洛夫 (Sasha Maslov) 为 《Quanta》杂志拍摄

第一种理论认为，大爆炸产生的致密黑子并没有立即坍缩。相反，它们在数十万年的时间里演化成气体云。大爆炸的残留辐射阻止了这些气体云冷却并分裂成恒星，使它们变得足够大，最终坍缩成黑洞。在6月份发表的一篇论文中，由Wenzer Qin领导的研究人员（打开新标签页）纽约大学的研究人员称这些稍晚出现的巨型黑洞为“不太原始的”黑洞（打开新标签页）。

又或许QSO1真的来自一个星系——一个快速形成、形成巨大黑洞、最终消失的星系。2014年，以色列魏茨曼科学研究所的纳塔拉詹和塔尔·亚历山大描述了这样一种情景：（打开新标签页）一颗位于星光特别密集区域的恒星坍缩成一个巨大的黑洞，然后像吃豆人一样四处飞驰，吸收气体，膨胀到巨大的尺寸。其他早期恒星随后迅速消亡，只留下这个巨大的黑洞自生自灭。

这些起源故事虽然都有可能，但都与QSO1不太契合。唯一基本被排除的场景是教科书式的恒星坍缩、合并，并吞噬一个绕行的气体盘。

QSO1 并非 JWST 发现的第一个非传统黑洞，尽管它是最原始的一个。另一个惊人的发现位于一个名为 UHZ1 的星系中，该星系形成于大爆炸后不到 5 亿年。通过将 JWST 的观测结果与 2022 年钱德拉 X 射线天文台从该星系收集的 X 射线相结合，Natarajan 及其同事确定 UHZ1 也比其周围的星系更像黑洞。这一特征以及其他一些特征使该团队得出结论，UHZ1 的黑洞诞生于一团气体云基本跳过恒星阶段直接坍缩的阶段。（打开新标签页）— 这个理论也可能适用于 QSO1。

对天文学家来说，挑战和兴奋在于，他们首次直面宇宙历史的新纪元，而理解这一景象却异常艰难。里根将这种情况比作基于成年人和青少年——也就是詹姆斯·韦伯太空望远镜发射前我们所能观测到的青春期和成熟期星系——构建一套完整的人类理论。如今，观测这些小红点就如同发现蹒跚学步的幼儿，这些杂乱无章的新实体，研究人员很难根据以往的观测结果进行解读。“感觉完全不一样，”他说，“他们像疯子一样四处乱跑。”

来源：人工智能学家