打破规则的黑洞以宇宙“速度限制”13倍的速度增长，挑战现有理论

全球 - 艾赫巴里通讯社

打破规则的黑洞以宇宙“速度限制”13倍的速度增长，挑战现有理论

一项令人振奋的发现正在挑战我们对宇宙早期历史的理解：一个古老且进食速度极快的类星体，编号为ID830，正在打破黑洞吞噬物质并产生塑造星系喷流的既定规则。这个异常活跃的超大质量黑洞（SMBH）不仅以惊人的速度增长，其速度是宇宙“速度限制”的13倍，而且还同时产生极端的X射线和无线电波辐射——这两种特征在现有理论中被认为是不可能共存的。这一发现迫使天文学家重新审视他们对黑洞演化和早期宇宙物理机制的理解。

ID830是一个异常巨大的天体。大约120亿年前，当宇宙的年龄仅为其当前年龄的15%左右时，它就已经重达4.4亿个太阳质量。这使得它比我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*还要大100多倍。在宇宙的黎明时期达到如此巨大的质量，对当前黑洞形成和星系演化的模型构成了严峻挑战。

这种“打破规则”的行为是如何可能的呢？在1月21日发表于《天体物理学杂志》的一篇论文中，一个国际研究团队通过多波长观测了ID830，以寻找答案。黑洞是宇宙中最贪婪的“食客”，但即使是这些“怪物”也有进食的限制。当它们吸引气体和尘埃时，这些物质会在一个旋转的吸积盘中积累。引力将物质从吸积盘中拉入黑洞，但落入的物质会产生向外的辐射压力，阻止更多的物质落入。因此，黑洞受到一种称为“爱丁顿极限”的自我调节过程的限制。

然而，黑洞可以暂时绕过这个极限，经历超爱丁顿极限的快速增长期。研究人员提出了这种宇宙暴食症的多种机制。例如，未参与这项研究的德克萨斯大学奥斯汀分校天文学家安东尼·泰勒通过电子邮件告诉《生命科学》：“在辐射压力积累以限制吸积率之前，黑洞在短时间内以快于爱丁顿极限的速度消耗物质应该是完全可能的。”或者，黑洞可以从其赤道周围的吸积盘中消耗物质，而向外的辐射压力则从其两极排出物质。泰勒补充说：“在这种情况下，辐射压力不会直接阻碍物质流入，从而允许超过爱丁顿极限。有多种几何结构可以实现这一点！”

超爱丁顿机制可能有助于将超大质量黑洞的增长模型与不断扩大的早期宇宙观测目录进行协调。凭借其卓越的红外灵敏度，詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）揭示了超大质量黑洞的增长速度惊人地快，且出现时间也比预期早得多，这颠覆了所有预期。那么，超大质量黑洞是如何如此快速地变得如此巨大的呢？一些科学家认为，宇宙历史上的第一批最大恒星——第三星族星，坍缩后产生了1000个或更多太阳质量的黑洞“种子”。但即使是这些巨大的种子，也需要在爱丁顿极限下进食超过6.5亿年才能达到其观测到的一些尺寸。由于维持这种长期吞噬所需的大量气体，这一壮举似乎不可行。

研究人员通过测量ID830在紫外线（UV）和X射线波长下的亮度来计算其增长率。其X射线亮度表明，ID830的质量吸积率约为爱丁顿极限的13倍，这可能是由于ID830撕裂并吞噬了一个靠得太近的天体而突然涌入的气体爆发。研究合著者、东京早稻田大学观测天文学家小渊咲子通过电子邮件告诉《生命科学》：“对于像ID830这样大质量的超大质量黑洞，这需要的不是一颗普通的（主序星）恒星，而是一颗质量更大的巨星或一个巨大的气体云。”小渊补充说，这种超爱丁顿阶段可能非常短暂，“这个过渡阶段预计将持续大约300年。”

ID830还同时显示出无线电和X射线辐射。这两种特征不应共存，尤其因为超爱丁顿吸积被认为会抑制此类辐射。“这种意想不到的组合暗示了当前极端吸积和喷流发射模型尚未完全捕捉到的物理机制，”研究人员在一份声明中说。因此，尽管ID830正在发射巨大的无线电喷流，其X射线辐射似乎源自一种称为日冕的结构，它是由吸积盘的强烈磁场产生的一个薄而湍急的十亿度涡轮增压粒子云。这些粒子以接近光速的速度围绕黑洞运行，这被美国宇航局称为“宇宙中最极端的物理环境之一”。

总而言之，ID830的破规行为表明它正处于过度消耗和排泄的罕见过渡阶段。这种令人难以置信的进食爆发为其喷流和日冕都注入了能量，使ID830在多个波长上发出明亮的光芒，因为它正在喷射出多余的辐射。此外，根据紫外线亮度分析，像ID830这样的类星体可能比研究人员所说的更为普遍。模型预测只有大约10%的类星体具有壮观的无线电喷流，但这些高能天体在早期宇宙中可能比之前预测的更为丰富。

最重要的是，ID830还展示了超大质量黑洞如何在早期宇宙中调节星系生长。当黑洞以超爱丁顿极限吞噬物质时，其产生的辐射能量可以加热并分散星际介质（恒星之间的气体），从而抑制恒星形成。因此，像ID830这样的古老超大质量黑洞可能以牺牲其宿主星系为代价而变得巨大。小渊总结道：“如果超爱丁顿黑洞比我们想象的更常见，这可能意味着我们对早期宇宙中物体如何形成仍存在一些巨大空白。这一发现增加了詹姆斯·韦伯空间望远镜的证据，表明古代宇宙中的恒星、星系和黑洞看起来比理论预测的要大得多、成熟得多。”

艾赫巴里通讯社