83個古老的巨大黑洞 “胖子”黑洞可能是一口“吃”成的

出品：科普中國

製作：中國科普博覽

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

本文受訪專家：中國科學院國家天文台 苟利軍研究員

據新華社報導，日本愛媛大學參與的一個國際團隊日前宣布，他們利用日本“昴星團”望遠鏡發現了83個約130億光年外的巨大黑洞。這表明，宇宙誕生初期就存在大量的巨大黑洞，而且質量和我們臨近宇宙中的黑洞質量差不多，可以達到幾十億個太陽質量。

來自距離地球130.5億光年的超大質量黑洞所在類星體發出的光（圖片來源：https://subarutelescope.org）

巨大黑洞是如何被觀測到的？

“昴星團”望遠鏡隸屬於日本國家天文台，也是該組織最大的望遠鏡設備。它設在美國夏威夷Mauna kea山頂上，以著名的疏散星團——昴宿星團命名，是一台口徑為8.2米的大型反射式光學望遠鏡。它採用零膨脹玻璃ULE製作，重約22.8噸，但由於採用了薄鏡面技術，厚度只有20厘米，鏡面誤差不超過14納米，並且安裝了自適應光學系統，從而降低大氣湍流對於觀測的影響。

日本愛媛大學14日發布公報說，該校和美國普林斯頓大學等機構研究人員這次利用昴星團的hyper Suprime-Cam (HSC; 超主焦點相機)巡天數據，科學家們首先從這些數據中選取了一些候選體，之後，利用三個不同的望遠鏡（位於夏威夷的昴星團望遠鏡、西班牙加納利群島上的GTC望遠鏡、和位於智利的雙子座南望遠鏡）對這些候選體在拍攝了相應的光譜之後確認了它們的距離。

這次一共發現了大約100個位於約130億光年外的類星體，其中83個類星體是首次被觀測到，還有17個類星體是再次被觀測到。

類星體是天文學家對一類天體的稱呼，類星體通常包括一個中央黑洞和周圍的星雲，由於黑洞吞噬周圍物質釋放大量能量，所以它們在宇宙中顯得非常明亮，人們可通過地球上的望遠鏡觀測到它們。

研究顯示，這些巨大黑洞的質量在太陽的100萬倍到幾十億倍甚至上百億之間。研究小組稱，這項發現表明巨大黑洞在超遠宇宙中大量存在。

要知道，根據目前的研究，我們認為宇宙誕生於約138億年前，這意味著，在宇宙誕生僅8億年後，就誕生了大量巨大的黑洞。研究人員對此感到非常吃驚，認為研究這些黑洞將有助於探索宇宙的早期歷史。

這些巨大黑洞對我們認識早期宇宙究竟有何幫助？

帶著這個問題，我們採訪了中國科學院國家天文台研究員、恆星級黑洞研究小組負責人苟利軍。

苟利軍研究員解釋說，這次觀測到的古老、巨大的黑洞對我們理解宇宙的演化以及黑洞的產生都會有極大的幫助。

我們的宇宙在大爆炸之後的演化過程當中，會經歷一個從黑暗時期向再電離時期的轉變過程：原來處於中性狀態的氫原子在光子的作用之下變成了電離態。

可以說，再電離過程是整個宇宙演化歷史當中的一個里程碑，但這個過程大部分的能量究竟是來自於哪裡呢？是第一代恆星，第一代星系或者超大質量黑洞？一個很有吸引力的說法是，早期宇宙的眾多類星體所產生的強烈異塵餘生導致了宇宙的再電離過程，而這次的發現，就給這種說法提供了一個直接的觀測證據。

與此同時，這些位於宇宙早期的超大質量黑洞也向超大質量黑洞的形成理論提出了挑戰。

天文學家在研究黑洞時，根據它們的質量，將它們大致分成三類。100個太陽質量左右的黑洞，被稱為恆星質量黑洞；幾十萬個太陽質量到百億個太陽質量的黑洞，被稱為超大質量黑洞；介於兩者之間的，是中等質量黑洞。

這次發現的83個巨大黑洞，就是超大質量黑洞。目前學界認為，這些超大質量的黑洞，是通過小質量黑洞慢慢地合並，然後再通過吸積氣體的方式形成的。這是一個從小到大的成長過程，可以說是“一口一口吃成胖子”。

但如果按照這個理論的話，那宇宙的最早期其實就不太可能存在這麽多的此類超大質量黑洞。

不過，關於超大質量黑洞的形成，也還有其他理論，比如，認為有些氣體在宇宙最早期直接就坍縮成了幾十萬或者上百萬個太陽質量的黑洞，可以說是“一生下來就是胖子”。

現在昴星團望遠鏡的新發現，可以說是為後一種理論提供了極好的支持。或許超大質量黑洞的形成是多通道的，多種形成渠道同時並存。

目前，該研究團隊正在繼續尋找更早期的超大質量黑洞，期望能夠揭示第一個超大質量黑洞在宇宙中誕生的年代。

參考內容：

1.文中新聞來源：《新研究發現宇宙初期存在大量巨大黑洞》

http://www.xinhuanet.com/tech/2019-03/15/c_1124240639.htm

2.昴星團望遠鏡官網：https://subarutelescope.org