最近的觀測結果，包括來自哈伯太空望遠鏡的觀測結果表明，早期星系中蘊藏的黑洞要比之前想像的多得多，這對我們在宇宙大爆炸後的有限時間內理解黑洞的快速增長提出了挑戰。這項研究探討了各種形成理論，包括受暗物質影響的直接坍縮和涉及暗星的奇異過程，為下一代太空天文台（如詹姆斯-韋伯太空望遠鏡）未來的探索奠定了基礎，這些天文台的目標是發現暗類星體，並有可能見證黑洞的誕生。

新的發現表明，早期星系中黑洞的普遍程度比預期的要高，這表明我們的標準宇宙學模型有潛在的缺陷。

超大質量黑洞是宇宙中最令人震驚的天體之一，質量可以超過太陽的十億倍。 我們知道，這些巨大的實體已經存在很久了。

事實上，天文學家已經發現了位於星系中心的極其明亮的緊湊源，它們被稱為類星體（快速增長的超大質量黑洞），當時宇宙的年齡還不到10 億歲。

現在，我們發表在Astrophysical Journal Letters上的新研究利用哈伯太空望遠鏡的觀測結果表明，早期宇宙中的黑洞數量比之前的估計多得多（亮度要低得多）。 令人興奮的是，這可以幫助我們了解黑洞是如何形成的，以及為什麼它們中的許多看起來比預期的質量更大。

黑洞透過吞噬周圍的物質而成長，這個過程被稱為吸積。 這個過程會產生大量輻射。 這種輻射所產生的壓力對黑洞的生長速度產生了根本性的限制。

因此，科學家在解釋這些早期的大質量類星體時面臨著一個挑戰：由於沒有足夠的宇宙時間來哺育它們，它們的成長速度要么超過了物理上的可能，要么就是天生就具有驚人的質量。

這是哈伯超深場的最新影像。 2004 年，哈伯對該領域進行了首次深度成像。 幾年後，哈伯再次對同一巡天視野進行了觀測，並在2023 年進行了重新成像。 透過對比哈伯寬視野相機3 在2009 年、2012 年和2023 年拍攝的近紅外線曝光照片，天文學家發現了早期星系中心閃爍的超大質量黑洞的證據。 插圖中的一個明亮物體就是一個例子。 有些超大質量黑洞並不會持續吞噬周圍的物質，而是會突然爆發，使其亮度閃爍不定。 這種情況可以透過比較不同時間拍攝的哈伯超深場畫面來偵測。

黑洞究竟是如何形成的呢？ 有幾種可能性。 第一種可能是所謂的原始黑洞在宇宙大爆炸後不久就已經存在。 雖然對於低質量的黑洞來說是可信的，但根據宇宙學標準模型，大質量黑洞不可能大量形成。

在一些正常大質量恆星短暫生命的最後階段，黑洞肯定會形成（現在已被重力波天文驗證）。 如果這種黑洞形成於恆星和黑洞可能合併的密度極高的恆星簇中，原則上可以快速成長。 正是這些”恆星質量種子”黑洞需要快速成長。

另一種情況是，它們可能是由”重種子“形成的，其質量大約是已知大質量恆星的1000倍。 其中一種機制是”直接坍縮”，在這種機制中，被稱為暗物質的未知、不可見物質的早期結構限制了氣體雲，而背景輻射阻止了它們形成恆星。 相反，它們坍縮成了黑洞。

問題在於，只有少數暗物質光環長得夠大，才能形成這樣的種子。 因此，只有在早期黑洞夠稀少的情況下，這種解釋才能成立。

Westerlund 1 是距離地球最近的最大”超級”星團。

多年來，我們已經對宇宙最初的十億年中存在多少星係有了很好的了解。 但在這些環境中尋找黑洞卻極具挑戰性（只有發光的類星體才能被證實）。

雖然黑洞是透過吞食周圍的物質來生長的，但這並不是以恆定的速度發生的–它們會把進食分成”三餐”，這使得它們的亮度會隨著時間的推移而變化。 我們對一些最早的星系進行了為期15年的亮度變化監測，並以此對黑洞的數量進行了一次新的普查。

結果發現，居住在普通早期星系中的黑洞數量是我們最初想像的幾倍。最近，詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JSTW）的其他開創性工作也開始得出類似的結論。 總之，我們擁有的黑洞數量超過了直接坍縮形成的黑洞數量。

還有另一種更奇特的黑洞形成方式，可以產生既巨大又豐富的種子。 恆星是透過氣體雲的引力收縮形成的：如果能在收縮階段捕捉到大量暗物質粒子，那麼內部結構就會被完全改變–核點火也會被阻止。

因此，恆星的生長可以比普通恆星的典型壽命長很多倍，使它們的質量變得更大。 然而，就像普通恆星和直接坍縮天體一樣，沒有任何東西最終能夠抵禦強大的引力。 這意味著這些”暗星”最終也會坍縮形成大質量黑洞。

我們現在相信，類似的過程應該已經發生，從而形成了我們在新生宇宙中觀測到的大量黑洞。

對早期黑洞形成的研究在過去兩年經歷了一場變革，但從某種意義上說，這個領域才剛開始。

新的太空觀測站，如歐幾里德任務或南希-格雷斯羅曼太空望遠鏡，將填補我們對早期較暗類星的普查。 位於澳洲和南非的新雅典娜任務和平方公里陣列將幫助我們了解早期圍繞黑洞的許多過程。

但近期我們必須關注的是韋伯望遠鏡。 憑藉它在成像和監測方面的靈敏度，以及觀測非常微弱的黑洞活動的光譜能力，我們期待未來五年能夠真正確定第一批星系形成時的黑洞數量。

我們甚至有可能在黑洞形成的過程中親眼目睹第一顆原恆星坍縮時所發生的爆炸。 模型顯示這是可能的，但這需要天文學家的協調和努力。

作者：斯德哥爾摩大學天文物理學副教授馬修-J-海斯（Matthew J. Hayes）。

改編自最初發表在The Conversation上的一篇文章。