早期宇宙可能充满了非常黑暗的空洞

超大块体黑洞是宇宙中最令人印象深刻（也是最可怕）的天体之一——其质量大约是太阳的十亿倍。我们知道他们已经存在了很长时间。

事实上，天文学家检测到位于星系中心的极其明亮的致密源，被称为类星体（快速增长的超大质量黑洞），当时宇宙年龄不到 10 亿年。

现在，我们的新研究发表在天体物理学期刊快报利用哈勃太空望远镜的观测结果表明，早期宇宙中的黑洞比以前的估计要多得多（光度要低得多）。令人兴奋的是，这可以帮助我们了解它们是如何形成的——以及为什么其中许多看起来比预期的要大。

黑洞通过吞噬周围的物质而生长，这个过程称为吸积。这会产生大量的辐射。这种辐射的压力设置基本限制关于黑洞的生长速度。

因此，科学家们在解释这些早期的大质量类星体时面临着一个挑战：没有太多的宇宙时间来喂养它们，它们要么生长得比物理上可能更快，要么出生时就出奇地大。

轻种子与重种子

但是黑洞到底是怎么形成的呢？存在多种可能性。首先是所谓的原始黑洞在Big Bang 宇宙.虽然对于低质量的黑洞来说是合理的，但根据标准型号宇宙学。

黑洞肯定可以形成（现在由引力波天文学）的最后阶段一些正常大质量恒星的短暂寿命.如果这种黑洞形成于恒星和黑洞可能合并的极其密集的星团中，原则上可以迅速增长。正是这些黑洞的“恒星质量种子”需要生长得太快。

另一种选择是，它们可以从 ”重种子“，其质量大约是已知大质量恒星的 1,000 倍。其中一种机制是“直接崩溃”，其中未知的、不可见的物质的早期结构被称为暗物质受限的气体云，而背景辐射阻止它们形成恒星。相反，它们坍缩成了黑洞。

问题是，只有少数暗物质晕长得足够大，可以形成这样的种子。所以，这只有在早期黑洞足够罕见的情况下才能作为解释。

黑洞太多

多年来，我们对宇宙时间的前十亿年中存在多少个星系有一个很好的了解。但是在这些环境中寻找黑洞极具挑战性（只能证明发光的类星体）。

尽管黑洞通过吞噬周围的物质而生长，但这并不是以恒定的速度发生的——它们将食物分解成“食物”，这使得它们的亮度随时间变化。我们监测了一些最早的星系在 15 年期间的亮度变化，并利用它对那里有多少黑洞进行了新的普查。

事实证明，存在于普通早期星系中的黑洞数量比我们最初想象的要多几倍。

詹姆斯·韦伯太空望远镜 （JSTW） 最近的其他开创性工作已经开始得出类似的结论.总的来说，我们的黑洞比直接坍缩所能形成的黑洞要多。

还有另一种更奇特的形成黑洞的方法，可以产生既大又丰富的种子。恒星是通过气体云的引力收缩形成的：如果在收缩阶段可以捕获大量暗物质粒子，那么内部结构可以完全修改——并防止了核点火。

因此，增长可以持续许多倍于普通恒星的典型寿命，从而使它们变得更大。然而，就像普通的恒星和直接坍缩的物体一样，没有任何东西最终能够承受强大的引力。这意味着这些“暗星”最终也应该坍缩形成大质量黑洞。

我们现在相信，与此类似的过程应该发生，以形成我们在婴儿宇宙中观察到的大量黑洞。

未来计划

早期研究黑洞Formation 在过去两年中经历了转变，但从某种意义上说，这个领域才刚刚开始。

新的太空天文台，例如Euclid 任务或南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，将尽早填补我们对较暗类星体的普查。这NewAthena 任务和Square Kilometer 数组澳大利亚，将揭示我们对早期围绕黑洞的许多过程的理解。

但实际上，我们必须在短期内关注 JWST。凭借其成像和监测的灵敏度以及看到非常微弱的黑洞活动的光谱能力，我们预计未来五年将真正确定第一个星系形成时的黑洞数量。

我们甚至可能通过目睹与第一批原始恒星坍缩相关的爆炸来捕捉黑洞的形成。模型表明这是可能的，但这需要天文学家协调和专注的努力。

马修·海耶斯， 天体物理学副教授，斯德哥尔摩大学

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