超大质量黑洞——包含数亿至数十亿倍恒星质量的物体——是现代天体物理学最神秘的秘密之一。它们潜伏在大部分星系的中心位置，包括我们的银河系。考虑到它们的普遍存在，这些黑洞可能对宇宙的形成和演变起到关键作用。但它们是如何变得拥有超大的质量？这个问题长久以来萦绕在全世界的理论物理学家心头。
其中最理智的猜测——这些怪物能变得如此之大是因为在数十亿年间它们吞噬了巨大质量的气体——已经被认为错误的。最近的观察结果显示那些数十亿倍太阳质量的黑洞在宇宙大爆炸发生8亿年后就已经存在了。所以，谜题仍然存在：它们如何在如此短的时间内拥有如此大的质量？大多数天体物理学家赞成超大质量黑洞起源于小一点的“种子”黑洞。但他们无法在这样的“种子”黑洞会有多小的问题上统一意见。一派认为这些“种子”黑洞应该很大——数千至数万倍太阳质量；而另一派断定“种子”黑洞可以很小——不会多于一百倍太阳质量。
两派学者都得面对黑洞吞噬物质过程一塌糊涂的问题：重力只能在物质逐渐堆积在周围之前，将一定质量的气体塞入黑洞的胃里，周围堆积的物质最后会形成发射强烈辐射的白热盘（white-hot disk），将接下来进入的气体推走，强制切断了黑洞的食物供应。这被称为爱丁顿限制，它被认为严重地限制了任何黑洞吞噬物质和生长的速度。采纳小种子黑洞的模型的优势在于这些次中量级选手相对来说比较容易形成；缺点是为了能让这些小种子黑洞快速成长为超大质量黑洞，他们必须把爱丁顿“限制”更多地看成一种可能性，并依靠各种潜在的例外来规避其限制。相比之下，大种子黑洞模型通过给超大质量黑洞的形成一个极好的开端——质量大意味着它们能够在把气体推开之前吞噬掉更多的气体。但更大的种子黑洞同时也更难形成。可能塌陷形成大种子黑洞的巨大气体星云也可能碎裂成更小的团块，形成星团而不是大种子黑洞。
东京大学（University of Tokyo）的天体物理学家吉田直纪（Naoki Yoshida）说，不管支持的是大种子黑洞还是小种子黑洞，“有很多理论试图解释超大质量黑洞的存在或者超大质量黑洞集合的存在，但是没有一个能够完全解释。” 吉田是大种子黑洞模型的支持者，也是周四在科学杂志上发表的一项新研究的共同作者，这项研究是关于它们是如何形成和引起早期宇宙存在惊人数量的超大质量黑洞。 他的“自然解决方案”将大爆炸之后流经宇宙的高速气流作为关键的催化剂。具体来说，这个理论依赖于高速气体和暗物质——似乎充当了星系的引力胶的神秘无形物质——之间的假定的相互作用 。
黑洞的形成
与他在德克萨斯大学奥斯丁分校（The University of Texas at Austin）和德国蒂宾根大学（the University of Tübingen in Germany）的合作者一起，吉田利用计算机模拟重新创造早期宇宙的场景，通过向程序提供宇宙学参数如天文学家从对早期宇宙组成的测量结果计算得出的暗物质密度。吉田说：“我们试图重现这个初始状态，希望能尽可能接近真实的观察结果，然后让这个宇宙随着时间的推移而演变。”
根据这个团队的模拟，在宇宙的一些地区，暗物质的重力会将大爆炸留下的快速移动的原始氢和氦流诱入陷阱。最近研究人员发现，大爆炸之后这些早期的气体在某些地区能加速到令人难以置信的速度，像吉田所说的那样“真正的快速风”。吉田说：“你可以猜到，捕捉以那么快的速度移动的气体是非常困难的。想象把你的手放在消防水带的喷嘴上，你的手臂会因为水流的力量摆动。让这些强风停下来的唯一办法是引起足够强的重力。”研究人员计算出，早期宇宙每三十亿光年直径范围内都会有一个足够大的暗物质团块，它的质量产生的重力能够吸入和俘获这种快速的风，就像用足够强的力量将水流推回相反的方向。气体和暗物质之间的这种吸引力创造了大型的气体云，并沿途阻止了许多小恒星的形成。
然后这个模拟中形成的气体云塌陷成一颗巨大的恒星，且继续吞噬更多的气体直到它的质量是太阳的34000倍。如果这颗奇特的，存在于假想中的大质量恒星纯粹只由氢和氦元素组成，那它最多只能达到这么大的质量。氢和氦是在任何恒星发生超新星爆炸之前围绕早期宇宙旋转的两种元素气体，之后的超新星爆炸才产生了碳，氮和氧等重元素。大质量恒星的假想之前也曾提出过，但这是第一次一个团队成功将其模拟出来。“我们的电脑模拟不仅显示了这个现象真的发生了，而且表明这种怪物般的恒星实际可以形成，”吉田说。在达成如此大质量之后，这颗恒星最终塌陷，就这样，一个超大质量黑洞的种子就此诞生。“不是我们在寻找特定的答案，答案自然地呈现在我们的面前，”他说，“这也是我认为，至少对于超大质量黑洞的起源问题，这就是正确答案的原因。”
很好的答案，但是不够完美
最初其他倾向于认同大种子黑洞假想的科学家们对于它们是如何形成的有着不同的想法。例如，最近一项发表在《自然：天文学》（Nature Astronomy）的研究提出这些种子黑洞不是由于暗物质的某些模糊的运动形成的，而是通过星系中普通恒星的运动。在这个假设下，在邻近年轻星系激烈的恒星形成过程中爆发的强烈紫外线能够阻止恒星变成一团巨大的气体云，让其继续存在直到它直接塌陷成一个质量达到100000个太阳那么大的黑洞。
John Wise，佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的天体物理学家，同时也是那篇发表在《自然：天文学》上的研究的作者之一，认为这项新成果是这个领域的重要一步，因为吉田和他的同事是第一个模拟出了超大质量黑洞形成过程中早期气体运动的影响的团队。但他同时认为这并不能排除他自己的理论。“我相信存在多种形成超大质量黑洞的途径，”他说，“这只是另外一种，这是完全可能的。”然而，他也指出在早期宇宙中这些快速移动的气体非常罕见。“这些速度确实会波动（取决于你在宇宙中的哪个位置），所以实际上发生的几率还是很低的。”根据吉田所说，在早期宇宙的某个区域里找到这样快速移动的风的几率大概是0.3%。相似地，吉田和他的同事指出，与年轻的正在制造恒星的星系直接相邻的巨大的气体云，似乎也是罕见的。吉田说：“这个事件发生的概率确实是不确定的。”
Greg Bryan，哥伦比亚大学（Columbia University）的天体物理学家，同时也是那篇发表在《自然：天文学》上的研究的资深作者。他说：“这不是一个明确的答案，但这是目前为止最好的答案，这种黑洞形成的特定模式。”然而，他有点担心他们的模拟会形成一个更小的恒星。如果要形成一个黑洞，一堆早期的气体需要聚集在一个很小的区域里，如果这些气体分散形成一堆星星，黑洞的形成就不会发生。如果模拟的条件变化了一点点，就不会形成大种子黑洞，他说。Bryan还说：“就像我信任其他模型差不多，我信任他们的模型。”
Fulvio Melia，亚利桑那大学（the University of Arizona）的天体物理学家，并不热衷于这个新理论。“（作者）依赖太多模糊的物理现象，就像其他形成大种子黑洞的猜想或者它们以一个非常高的速度成长的猜想，”他说，“他们必须对暗物质在其中起某种作用有具体的猜想，但我们甚至连是什么都不知道。”
结束关于种子黑洞的疑问
为了明确地回答这些巨兽是如何形成的，科学家们都提出了未来使用先进的下一代望远镜观测早期宇宙“种子”黑洞的可能性。这种可能性可能不会那么遥远。现在有几项举措，例如拟于2028年启动的欧洲空间局（European Space Agency）提出的ATHENA任务，旨在探测这些超大型黑洞的X射线辐射。美国宇航局（NASA）即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将于明年发射，也可以对宇宙第一颗恒星和星系的研究提供见解。
Melia说：“令人兴奋的是，未来几年将有一种能够测试这些想法的方法，因为人们会在外太空对这些超大质量黑洞做一次全面的搜寻。至于这个问题为什么有这么多的讨论，他补充道：“人们提出的是东西和周边宇宙中的我们所了解的那些不一样。”
译者：刘嘉欣
审校：柯奎宇
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