【2024年11月12日訊】（記者笛睿編譯報導）超大質量黑洞是如何成為每個星系中心的？不久前，這個問題的解釋並不困難：那裡的物質密度最高，黑洞在那裡有數十億年的時間來進食和長大。然而，隨著韋伯望遠鏡的問世，越來越多宇宙早期的超大質量黑洞被發現。這些黑洞並不能悠閒地進食，而是以狂熱的方式大吃特吃，才能長到如此巨大。
但韋伯望遠鏡可能剛剛找到了這一困境的突破口。它發現了一個黑洞，似乎在數百萬年內以其理論極限的40倍速度進食，這使得它能以足夠的速度增長，從而形成超大質量黑洞。這項新研究於11月4日發表在《自然·天文學》（Nature Astronomy）期刊。
黑洞長大存在極限
將要掉進黑洞的物質通常會先聚集成所謂的吸積盤，圍繞著黑洞運行，並因與吸積盤其它部分的碰撞而加熱，同時以輻射的形式損失能量。最終，如果能量損失足夠多，物質就會掉入黑洞。物質越多，吸積盤就越亮，並且其產生的輻射會驅散更多的物質。輻射壓力驅散的物質與黑洞吸引的物質達到平衡的點稱為「愛丁頓極限」。黑洞越大，這一極限就越高。
這對超大質量黑洞造成了挑戰。我們目前所知的黑洞形成方式——即大質量恆星在超新星爆炸後死亡而形成黑洞——通常只會產生質量約為太陽幾倍的黑洞。即使考慮到早期宇宙中存在的異常大質量恆星以及一些黑洞合併，預計大多數潛在的超大質量黑洞在其種子階段的質量也僅為太陽質量的100倍左右。雖然有理論提出氣體雲的直接崩潰可以避免中間階段的恆星形成，並立即形成質量達到太陽10,000倍或更多的黑洞，但這些仍然只是純假設性的。
無論如何，黑洞在達到超大質量之前需要吸收大量物質。然而，根據它們缺乏X射線發射的情況，使用韋伯望遠鏡觀測到的大多數早期超大質量黑洞的進食率約為愛丁頓極限的20%。這可能意味著它們在歷史早期的進食一定超過了愛丁頓極限，或者它們從一開始就已經是非常大質量的黑洞。
聚焦LID-568黑洞
這份新報告的研究對象LID-568，最初是使用錢德拉X射線望遠鏡觀測到的，這是一個最近面臨關閉威脅的天文台的望遠鏡。LID-568在X射線波長下非常明亮，這使得錢德拉能夠發現它，並暗示它以極高的速率進食。紅外成像顯示它似乎是一個點源，因此研究團隊得出結論，我們所看到的大部分光來自於吸積盤，而非它所占據的星系中的恆星。
然而，這使得確定黑洞環境的細節或計算它相對於宇宙大爆炸的年齡變得困難。因此，研究人員將韋伯望遠鏡對準它，以捕捉其它天文台無法捕捉的細節。
光譜學分析揭示了，我們目前所觀察的LID-568，存在於宇宙大爆炸後約十五億年。該區域的氣體和塵埃的生成量很低，這表明黑洞位於一個矮星系中。根據氫的生成，研究人員估計該黑洞的質量約為太陽的100萬倍，這是我們難以想像的龐然大物，但與許多超大質量黑洞相比卻顯得相對較小。
超出理論極限40倍
它的質量實際上與韋伯望遠鏡在更古老星系中識別出的一些黑洞相似，但它的亮度卻高得多，相當於比其質量重10倍物體的亮度，並且還擁有那些黑洞所缺乏的X射線輻射。事實上，與其質量相比，它的亮度如此之高，以至於研究人員估計，只有在遠超「愛丁頓極限」的情況下，它才能產生如此多的輻射。他們最終估計，這個黑洞超過愛丁頓極限40倍之多。
關鍵在於，韋伯望遠鏡能夠識別出兩個朝我們高速移動的物質區塊，這是基於氫輻射線的藍移。這些數據顯示，該物質的速度超過每秒500公里，並延伸至距離黑洞數萬光年遠的地方。可以推測，這些物質塊也遮蔽了那些正朝我們遠離的類似物質。根據它們的長度和表觀速度，並假設它們代表著被黑洞驅動的氣體，研究人員可以估計出此黑洞發出這種強烈輻射的時間。
根據這些推算，研究者估計這個黑洞的原始質量約為太陽的100倍。他們總結道：「這一壽命表明，LID-568的質量增長有相當大的一部分可能來自於一次超愛丁頓極限的吸積事件中。」為了使這一觀點成立，這個黑洞必須曾經進入一個巨大的分子雲中，並在那裡進食超過1000萬年。
研究人員懷疑，這種強烈的活動干擾了星系中的恆星形成，這是其星系系統中相對缺乏恆星的原因之一。這可能解釋了為什麼我們在當前宇宙中看到一些非常巨大的黑洞，它們都位於相對較小的星系中心。
這意味著什麼？
在某些方面，這對宇宙學家來說可能是個好消息。超大質量黑洞能如此快速地形成，與韋伯所觀測到的黑洞大小和年齡相比，這要求它們在其生命大部分歷史中都處於愛丁頓極限或略高於愛丁頓極限的情況下進食，這被認為是不太可能的。然而，如果愛丁頓極限可以在超過1000萬年的時間裡被超越40倍，那麼這似乎就不再是一個問題了。
但同時，研究團隊生成的超大質量黑洞的質量與亮度的圖表顯示，LID-568多代表的是一個相當獨特的黑洞類別。如果有很多黑洞以這一速率進食，那麼應該很容易識別出更多的類似黑洞。正因爲這個原因，研究人員正在檢視其它X射線源，以查看是否還能發現此類別中的其它黑洞。◇
