类星体

宇宙中有一种特殊的星系，因其中心的黑洞疯狂吞食周围物质而发出极强的光芒，但因其发光区域比普通的星系小得多，乍看之下更类似于恒星，因此被称为“”。人类通过观测与分析，确认早期宇宙中的类星体中含有超级巨型的黑洞，它们的质量达到几十亿甚至上百亿太阳那么重。这些黑洞如何在宇宙年龄不到10亿年时就长成如此巨大的规模，一直是一个有争议的热门课题。不久前发表于《科学》(Science)杂志上的一项新研究，给出了一条新的线索[1]。

类星体与巨型黑洞

星系中心的巨型黑洞在吞食大量物质（气体和尘埃），这些物质在落进黑洞的过程中相互摩擦、加热，发出强烈的光芒

早在1960年，天文学家就发现了所谓的“类星体”，它们比星系小得多，远远看上去像是恒星，但亮度却可以比整个银河系还亮几百倍以上。此后不久，就有理论天文学家解释了类星体的发光原理：，就如非洲草原被狮子吃掉的斑马临死前发出悲鸣。

图1：类星体的艺术想象图。气体和尘埃形成一个围绕着中心黑洞的环，两极形成喷流。图片来源：NASA/ESA

发现了许多远古时期的类星体

对于类星体的研究，最近一些年的一个重要进展是：。这些类星体在宇宙年龄仅10亿年的时候就已经形成，并发出强光。比如，2015年，北京大学的吴学兵教授在《自然》 ( Nature)上发表论文[2]，宣布发现一个宇宙年龄仅9亿年时(红移为6.3)的类星体 SDSSJ010013.02+280225.8。要知道，当前宇宙的年龄大约为138亿年，9亿年只是宇宙的幼年期。更令人惊讶的是，。例如吴学兵教授发现的那个类星体里的黑洞，质量就达到120亿倍太阳质量。作为对比，银河系中心的黑洞的质量大约是400万个太阳质量，只能算小字辈。

图2：银河系中心附近的一小块区域的高清晰度图。中心部分被放大到右上方，后者中心的橙色十字表示银河系中心黑洞的位置，S2是一颗恒星，围绕着中心黑洞旋转。科学家们使用欧洲南天天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT)持续观测了大约20年，发现多颗绕着共同中心旋转的恒星，根据它们的轨道，计算出银河系中心的黑洞质量大约是400万个太阳那么重。银河系中心的黑洞已经进入休眠状态，因为它周围足够近的地方已经没有多少气体可以让它吃了。事实上，类星体中心的黑洞吃完周围的物质之后，也会进入休眠状态。图片来源：ESO/MPE/S. Gillessen et al.

这些黑洞是如何在不到10亿年的时间里长到那么大的？

银河系内黑洞的成因很好解释;但对于早期宇宙中那些几十亿个、甚至上百亿个太阳那么重的黑洞，问题就来了：

难题：

极早期宇宙中，大块的物质云因为自身内部的不均匀而开始结团，最终形成一个个巨大的恒星

关于这些比几十亿个太阳还重的超级巨型黑洞的来源，当前有个公认的看法：。这些恒星的质量是太阳的几千倍以上，是所谓的“”。第一代恒星只要大约100万年就会结束生命，直接收缩为黑洞。这些黑洞被称为“种子黑洞”。

种子黑洞一方面会吃周围的东西，另一方面还会和其他种子黑洞并合，成为更大的黑洞。通过几亿年的吞食与并合，种子黑洞就可以成为几十亿个太阳那么重的巨型黑洞。

这个理论看似很自然，但需要通过严格的计算和数值模拟来验证。事实上，此前的很多模拟都遇到了不同程度的困难。为了能够在不到10亿年的时间里增长到几十亿个太阳那么重，要求种子黑洞就得有几万个太阳那么重。但是，如何形成这么重的种子黑洞呢?

这个方案假定早期宇宙中可以形成10万个太阳那么重的气体团，直接坍缩为黑洞

有一个方案似乎可以解决这个问题，。而这个理论的缺点是：必须假定这样的气体团附近有明亮的星系，而这并不容易实现。因此，早期黑洞种子的质量问题，一直存在争议。