天文学家们正在发现一种新型的巨型黑洞，其体积甚至超过了位于星系中心的超大质量黑洞。在太空的黑暗中，会不会还有更可怕的怪物潜伏着？
在我们银河系的中心，住着一个庞大的黑洞。它和我们的太阳一样宽，但质量却大了数百万倍。它巨大的引力搅动了周围的星际尘埃和气体。这个超大质量黑洞是银河系的跳动心脏，在银河系130亿年的整个历史中，驱动着银河系的形成和演化，帮助诞生了像我们太阳系这样的太阳系。偶尔，一颗恒星会离得太近，被撕裂，在没有丝毫存在痕迹的情况下消失。这是一个可怕的野兽，拥有创造和毁灭的巨大力量。
几乎每个大型星系中心都有一个超大质量黑洞，但在宇宙的宏伟计划中，我们的黑洞——被称为人马座A*——是一个名副其实的轻量级。在过去的十年里，天文学家们发现了更大得多的黑洞，被称为超大质量黑洞。有些黑洞的质量是人马座A*的1000倍，大到足以跨越整个太阳系的宽度。
詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)所提供的无与伦比的视野，也让我们对这些巨兽是如何在时间的黎明成长有了新的认识。但同样多的谜团——它们从哪里来，它们到底能有多大？
测量如此巨大和遥远的天体(根据它们的定义，无法直接观察)的尺寸是很棘手的，但我们知道一些最大的天体是惊人地大。迄今为止发现的最大候选者之一，被称为Ton 618，位于距离地球180亿光年远的类星体的中央。它的质量估计是太阳的660亿倍，其宽度可达海王星与太阳之间距离的40倍。最近，位于一个名为Holm 15A的星系团中心的超大质量黑洞也被估计重约440亿个太阳质量，是海王星-太阳距离的30倍。
这些无疑是巨大的。但一些科学家认为，可能有更大的怪物潜伏在外。
英国纽卡斯尔大学的观测宇宙学家詹姆斯·奈丁格尔说：“从理论上讲，没有限制。”他在2024年3月发现了一个超大质量黑洞，其质量是太阳的330亿倍。
我们知道的黑洞有各种各样的尺寸。最小的是微型黑洞，其大小可能小到一个原子的尺寸。也许更熟悉的是恒星级黑洞，这是非常巨大的恒星坍缩的结果。它们的质量约为太阳质量的3到50倍，但被压缩成一个“大约伦敦大小”的物体，加拿大蒙特利尔大学的天体物理学家朱莉·赫拉瓦克-拉隆多说。中等质量黑洞形成下一组，达到太阳质量的约50,000倍，跨越一个大约木星大小的太空区域。超大质量黑洞的质量可达太阳质量的数百万或数十亿倍。
虽然还没有对超大质量黑洞的严格定义，但一般认为它们从“太阳质量的100亿倍”开始，赫拉瓦克-拉隆多说。虽然原则上没有任何理由阻止黑洞长到那个尺寸，但考虑到我们目前对黑洞如何生长和宇宙相对年轻的年龄，它们的出现是意料之外的。
“使用传统的喂养方法很难建造如此巨大的黑洞，”赫拉瓦克-拉隆多说，指的是由于黑洞的引力而吞噬周围物质的方式。“我认为人们没想到它们会[存在]。”
如果你不断喂养一个黑洞，原则上它应该会不断地增长，任何越过事件视界的天体或物质都会导致黑洞的质量增长。
实际上，宇宙的年龄和我们认为黑洞生长的速度应该限制它们的尺寸，在我们目前的这一点上可能不超过2700亿个太阳质量。然而，一些科学家认为，如果这些黑洞能够以比预期更快的速度吞噬物质，那么它们可能已经长得更大，在现代宇宙中达到数万亿个太阳质量。这些物体，被称为惊天大黑洞，将有一个大约一光年的半径。目前还没有发现这样的物体，但我们还不能排除它们隐藏在一些星系的中心。
天文学家们在2010年代早期发现了第一个超大质量黑洞。从那时起，已经发现了大约100个。2023年3月，奈丁格尔和他的同事宣布，他们发现了一个新的超大质量黑洞，其质量约为太阳质量的330亿倍。他们只能通过观察来自更遥远星系的光绕过黑洞的方式才能看到它。“这是一个非常偶然的发现，”奈丁格尔说。它们一定是在宇宙历史的相对早期诞生的，然后贪婪地吞噬物质。
我们无法直接看到黑洞，因为它们的本质——在其边界，即事件视界，引力变得如此强烈，以至于没有任何东西可以逃脱，甚至光也无法逃脱。因此，我们只能在它们对周围被黑洞吞噬的明亮物质投下阴影时才能看到它们。然而，我们可以更容易地推断它们的存在，方法是观察一个星系并注意中心黑洞的影响。一种方法是寻找从黑洞的极点发射出的强大的喷流。“我们仍然不完全理解它们是如何形成这些结构的，但它们确实形成了，”赫拉瓦克-拉隆多说。这些射电喷流可以延伸到数百万光年长。
黑洞还可以产生围绕它们旋转的炽热物质环，称为吸积盘，因为它们吞噬了物质。物质以极快的速度绕着黑洞旋转，巨大的引力使它以“大约光速”螺旋下降，赫拉瓦克-拉隆多说。当它落向黑洞时，物质盘也会发出明亮的X射线。黑洞越大，吸积盘和喷流分别产生的X射线和无线电波就越多。
超大质量黑洞和较小黑洞之间的物理原理基本相同——落入事件视界之外，就没有逃脱的可能。更大的质量会导致更大的事件视界半径。但超大质量黑洞由于其尺寸而具有一个有趣的特性。
如果你不幸落入一个恒星级黑洞，你会经历一种被称为意大利面化的现象——你的身体会被拉伸到无穷大——因为你的脚和你的头之间的引力差异。然而，在超大质量黑洞中，由于它延伸到太空中更远的地方，引力梯度要平缓得多，以至于你几乎不会注意到坠入事件视界之外。“意大利面化不会发生，”奈丁格尔说。唯一能暴露你命运的是由于黑洞的引力而扭曲的星光。
由于JWST的强大功能，天文学家们现在可以观测到越来越远的地方，因此由于光从宇宙遥远角落到达我们所需的时间，也可以看到更远的过去。这使得他们能够看到宇宙存在的前几亿年中的星系。为了让这些遥远的黑洞长得这么大，它们一定是在宇宙历史的相对早期诞生的，然后贪婪地吞噬物质，这与我们对黑洞形成限制的许多知识相矛盾。然而，天文学家们开始看到这种现象的证据。
JWST在宇宙最古老的区域发现了一种以前从未见过的星系类型。科学家们发现了数百个奇怪的、紧凑的星系，它们发出的光比预期的要亮得多，存在于大爆炸后大约6亿到10亿年。由于它们的颜色和大小，它们被称为“小红点星系”。特别令人惊讶的是它们发出的光，似乎表明超大质量黑洞已经潜伏在其中。
这些观测表明黑洞确实生长迅速。在我们当地的宇宙中，星系中心的超大质量黑洞往往比它们的主星系小约1000倍。但JWST发现，宇宙诞生之初，黑洞就和它们自己的星系一样大，这表明黑洞可能先于星系形成。
英国剑桥大学的宇宙学家汉娜·于布勒说，与当地的宇宙相比，这些质量是“数十到数百倍”大于我们的预期。天文学家称这些早期巨人为“超大质量黑洞”。“这真的很令人惊讶，并且对理论模型提出了挑战，以解释这些黑洞是如何如此迅速地变得如此巨大的，”于布勒说，她曾使用JWST观测这些早期黑洞。
这些黑洞是如何如此迅速地成长是一个谜，很可能与黑洞在早期宇宙中主要形成的方式有关。一种观点认为，它们是由宇宙中第一批恒星的死亡形成的，即所谓的第三代恒星——这些怪物的质量是太阳的100到1000倍，几乎完全由氦和氢组成。这些恒星在生命最后阶段的超新星——一场巨大的恒星爆炸——将更重的元素释放到宇宙中。这些元素后来会产生其他恒星，最终产生行星，包括我们的太阳和地球。但它们的死亡也可能产生了巨大的黑洞，因为物质在引力作用下向内坍缩。
西班牙空间科学研究所的天体物理学家马尔·梅兹夸说：“这些恒星产生的黑洞比恒星级黑洞更大。”“你可以从中成长，并有更大的机会在短时间内变得超大质量。”
另一种可能性是，第一个黑洞主要不是从恒星形成，而是从气体云形成，称为直接坍缩黑洞。通常，这些云会在重力作用下凝聚成恒星，但如果温度足够高，一些云可能不会形成恒星，而是直接坍缩成黑洞。“这些是我们目前宇宙中找不到的条件，”梅兹夸说。然而，她说，在早期宇宙炎热、动荡的条件下，这可能是可能的。
目前还没有明确看到第三代恒星或直接坍缩黑洞，因此尚不清楚哪种机制——如果有的话——主导了早期宇宙中的黑洞形成。
然而，不管这些黑洞是如何形成的，它们一定已经发展出一种快速成长到巨大尺寸的方法。一种可能性是，它们大量产生并合并在一起，形成越来越大的黑洞，首先是中等质量，然后是超大质量，然后是超大质量。这将支持它们起源于第三代恒星的观点，因为第三代恒星的数量会比直接坍缩黑洞多。“如果我们今天发现许多中等质量黑洞，这意味着它们是通过第三代机制形成的，”梅兹夸说。如果天文学家在较小的矮星系等可能出现的地方发现一些中等质量黑洞，这可能支持直接坍缩黑洞的观点，梅兹夸说。
超大质量黑洞也可能通过快速地以爆发的方式吞噬物质而快速生长，JWST已经看到了证据。天文学家已经观测到一些早期星系是明亮和活跃的，但另一些星系有一个看起来处于休眠状态的大黑洞，这表明后者一定已经在陷入沉睡之前吃掉了大量物质。“我们不知道这个循环会持续多久，”赫拉瓦克-拉隆多说。然而，他说，快速消耗的时期可能很罕见。“也许是黑洞寿命的1%。”
目前尚不清楚现代宇宙中的黑洞到底能有多大。“我们根据宇宙的年龄有了这个粗略的估计，”赫拉瓦克-拉隆多说，大约为2700亿个太阳质量。“但也许宇宙会给我们惊喜。”
本文译自 Stupendously large: How big can black holes get?，由 BALI 编辑发布。
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