黑洞是怎么“長大”的？這是天文學(xué)研究的一個重要課題。國際期刊《自然·天文學(xué)》近期發(fā)表的一篇論文介紹，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一個處于“狂吃”階段的超大質(zhì)量黑洞——它在宇宙大爆炸后約15億年起就能以極快速度吞噬物質(zhì)。這個名為LID-568的黑洞吞噬物質(zhì)的速度超過“愛丁頓極限”40倍。它的發(fā)現(xiàn)為理解早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞的形成和快速成長提供了寶貴線索。
同現(xiàn)有理論不符的新發(fā)現(xiàn)，往往蘊(yùn)藏著科學(xué)發(fā)展的可能。黑洞研究已有100多年歷史。黑洞是一種高密度天體，通常由大質(zhì)量恒星或星云坍縮形成，其引力之強(qiáng)，使得周圍一定范圍內(nèi)的光都無法逃脫。黑洞可以通過吸積（即吞噬）周圍物質(zhì)而實現(xiàn)成長。落入黑洞的物質(zhì)越多越重，黑洞的質(zhì)量、半徑和體積也就越大。不過這些物質(zhì)在落入黑洞前會圍繞它形成發(fā)光發(fā)熱的吸積盤，從而被人類探測到。同時，黑洞的壽命不是無限的。黑洞會產(chǎn)生一種被稱為“霍金輻射”（因物理學(xué)家霍金發(fā)現(xiàn)而得名）的微弱輻射，從而最終蒸發(fā)消失。這個蒸發(fā)過程非常慢。據(jù)估計，誕生于宇宙之初，質(zhì)量大于10億噸的黑洞，現(xiàn)在應(yīng)該還沒有蒸發(fā)完。
目前，科學(xué)界關(guān)于早期黑洞的形成機(jī)制主要有兩種理論——輕種子模型和重種子模型。前者認(rèn)為，黑洞起源于宇宙最早一代恒星的坍縮，隨后在吸積過程中逐漸增大。后者認(rèn)為，黑洞直接由大質(zhì)量氣體云坍縮形成，起始質(zhì)量更大。這兩種理論均認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞的形成需要經(jīng)過數(shù)億年的持續(xù)吸積。同時，黑洞的生長受到“愛丁頓極限”的制約。“愛丁頓極限”是一個理論計算值，指黑洞在吸積物質(zhì)時能夠達(dá)到的最大亮度與吞噬速率的平衡點。理論上，超出這一極限，黑洞的輻射壓力會將吸積物質(zhì)向外推開，限制其進(jìn)一步成長。
此次研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)LID-568時，它的吸積率遠(yuǎn)超“愛丁頓極限”。這說明宇宙早期的黑洞可能經(jīng)歷過多個快速吸積階段，以極快速度在成長。這一發(fā)現(xiàn)還證明，無論形成之初的質(zhì)量如何，這類黑洞都能在短時間內(nèi)快速“進(jìn)食”，一口吃成“大胖子”。這一機(jī)制對理解黑洞形成過程至關(guān)重要，揭示了宇宙大爆炸后超大質(zhì)量黑洞形成的潛在多樣性。
近日，國際期刊《自然》也刊登了英國劍橋大學(xué)領(lǐng)銜的一個研究團(tuán)隊的新發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡，在大爆炸發(fā)生僅約8億年后的早期宇宙中，探測到一個處于休眠狀態(tài)的巨型黑洞，其質(zhì)量高達(dá)太陽的4億倍。研究團(tuán)隊認(rèn)為它可能“生而巨大”，或者和LID-568一樣在短時間內(nèi)突破“愛丁頓極限”，快速生長，隨后便進(jìn)入漫長的休眠期。劍橋大學(xué)的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步佐證了現(xiàn)有的黑洞增長模型仍有完善空間。
作為宇宙中最神秘的天體之一，超大質(zhì)量黑洞不僅是星系中心的“心臟”，更是理解宇宙演化規(guī)律的關(guān)鍵。它的形成和成長以及與宿主星系的相互作用，勾勒出一個動態(tài)而復(fù)雜的宇宙生態(tài)系統(tǒng)。近年來，得益于觀測工具的不斷升級，人類對于黑洞的認(rèn)知在不斷刷新。幾年前，人們通過視界面望遠(yuǎn)鏡首次看到M87星系和銀河系中心的黑洞照片。近兩年，隨著一些更為先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射和應(yīng)用，人們對于黑洞有了更多的了解。2021年12月發(fā)射的韋布空間望遠(yuǎn)鏡，紅外靈敏度極高，能夠捕捉到光學(xué)波段無法觀測到的距離地球很遠(yuǎn)的天體——高紅移天體；1999年發(fā)射的錢德拉X射線天文臺依舊是目前最強(qiáng)大的X射線望遠(yuǎn)鏡之一，專門觀測高能天體。
未來隨著觀測技術(shù)的提升和多學(xué)科交叉研究的深化，研究人員將能更詳細(xì)地刻畫黑洞的生長歷史和物理機(jī)制。人類正逐步揭開隱藏在宇宙深處的“冰山”，這些新發(fā)現(xiàn)或?qū)㈩嵏矀鹘y(tǒng)宇宙觀，為探索自然界的終極奧秘開啟新的篇章。
（作者為中國科學(xué)院國家天文臺研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授）
《 人民日報 》（ 2025年03月03日 11 版）