在宇宙的138億年曆史中，星系自誕生後便一直在演化。今天我們知道，在幾乎所有的星系中心，都隱藏著一顆超大質量黑洞——這些黑洞的質量是太陽質量的數十萬倍，甚至數十億倍。但天文學家不清楚的是，這些超大質量黑洞究竟是如何形成的。
銀河系中心的超大質量黑洞。（圖/EHT Collaboration）
在一項新發表於《自然·天文學》的研究中，一個國際天文學家團隊通過結合來自韋布空間望遠鏡（JWST）和錢德拉X射線天文臺的資料，發現了迄今為止離我們最遙遠的黑洞。
這個巨大的黑洞可以追溯到大爆炸發生僅4.7億年後，這一發現對於理解宇宙中的第一批超大質量黑洞是如何在大爆炸後快速達到如此巨大的質量的至關重要。
古老的X射線
在過去的一年多時間裡，JWST已經幫助天文學家確認了宇宙中已知的最古老的一批星系。這讓一些天文學家不禁想知道，在那些古老的星系中心，是否也像現代星系一樣擁有超大質量黑洞？
為了回答這個問題，在新的研究中，研究人員梳理了由JWST觀測到的11個在大爆炸後不到10億年的時間裡就存在的星系。在一個名為UHZ1的星系中心，他們似乎發現了這樣一個黑洞。這個星系位於距離地球35億光年的Abell 2744星系團方向。但JWST的資料顯示，UHZ1比星系團要遠得多，距離地球約132億光年。
接著，研究人員選擇藉助錢德拉X射線天文臺來尋找星系中的超大質量黑洞。在進行了兩週的觀測之後，他們探測到了來自UHZ1的X射線。這表明在星系UHZ1的中心，的確存在一個不斷增長的超大質量黑洞。
從UHZ1發射出的X射線信號非常微弱，之所以能夠被錢德拉X射線天文臺探測到，是因為研究人員還利用了一種被稱為引力透鏡效應的現象，將X射線信號放大了近四倍。
圖中的紫色部分顯示了Abell 2744星系團中大量熱氣體所發射的X射線。紅外圖像顯示了星團中的數百個星系，以及一些前景恆星。放大的插圖顯示的是以星系UHZ1為中心的一小片區域。（圖/Chandra & JWST）
超大質量黑洞的形成
關於超大質量黑洞究竟是如何形成的，一直存在兩種說法：一種觀點認為，宇宙中的第一代恆星非常大，它們可以爆炸形成質量為10~100倍太陽質量的黑洞，然後這些黑洞會通過併合迅速成長，併吞噬早期星系中存在的稠密氣體。另一種觀點則認為，超大質量黑洞是在宇宙歷史的早期，直接由巨大的氣體雲坍縮形成的，質量為太陽質量的1萬到10萬倍。
大質量氣體雲直接坍縮形成種子黑洞。（圖/NASA/STScI/Leah Hustak）
通過計算，研究人員發現，UHZ1中的黑洞的質量至少是太陽質量的10⁷倍，約佔星系質量的一半。這與我們在附近宇宙中的星系中心發現的黑洞形成鮮明對比，通常這些星系中心的超大質量黑洞大約只佔星系質量的0.1%。
天文學家Priyamvada Natarajan是新論文的作者之一，2017年，他提出理論，認為「質量過大的黑洞」是由巨大的氣體雲坍塌直接形成的。UHZ1中心的超大質量黑洞在早期時就具有如此巨大的質量，加上它所產生的X射線量以及JWST探測到的星系的亮度，都與Natarajan的理論預測一致。
需謹慎對待的第一個結果
研究人員認為，這是迄今為止證明一些超大質量黑洞是由巨大的氣體雲直接坍縮形成的最佳證據。但鑑於這是天文學家所能進行這種分析的第一個超大質量黑洞，謹慎對待這一結果是很有必要的。
隨著JWST和其他望遠鏡收到越來越多關於早期星系的資料，天文學家很有可能繪製一幅更大的早期宇宙圖景，進而得到一系列可進行分析的早期黑洞群。這最終將有望讓他們更清楚地了解早期黑洞的形成和演化。
#創作團隊：
撰文：不二北斗
排版：雯雯
#參考來源：
https://chandra.si.edu/press/23_releases/press_110623.html
https://arstechnica.com/science/2023/11/half-of-the-mass-of-an-early-galaxy-is-in-its-central-black-hole/
#圖片來源：
封面圖&首圖：Chandra & JWST