天文学家发现了一种新型巨型黑洞，其体积甚至比星系中心的超大黑洞还要大。在漆黑的太空中，是否还潜伏着更可怕的黑洞？
我们银河系的中心有一个巨大的黑洞。它和我们的太阳一样宽，但重量却是太阳的数百万倍。它巨大的引力搅动着周围的星际尘埃和气体。这个超大质量黑洞是银河系的心脏，推动着我们银河系在其整个 130 亿年历史中的形成和演化，帮助形成了像我们这样的太阳系。偶尔，一颗恒星游得太近，被撕裂，一眨眼就消失了，没有一丝存在过的痕迹。它是一头可怕的野兽，拥有史诗般创造和毁灭的力量。
几乎每个大型星系的中心都有一个超大质量黑洞，但在宇宙的宏伟蓝图中，我们的黑洞——人马座 A——是名副其实的轻量级黑洞。在过去十年中，天文学家发现了比人马座 A 大得多的黑洞，称为超大质量黑洞。有些黑洞的质量是人马座 A* 的 1,000 倍，大到足以覆盖整个太阳系的宽度。
詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)提供的无与伦比的视野也让我们对这些庞然大物在时间之初是如何生长有了新的认识。但同样有许多未解之谜——它们从何而来，它们到底能长到多大？
测量如此巨大而遥远的物体（根据其定义，无法直接观察到）的尺寸非常棘手，但我们知道其中一些最大的物体大得惊人。迄今为止发现的最宏伟的候选者之一被称为 Ton 618，它位于距离地球约 180 亿光年的类星体中心。据估计，它的质量是太阳的 660 亿倍 ，比海王星和太阳之间的距离宽 40 倍。最近估计，位于星系团 Holm 15A 中心的黑洞比太阳重约 440 亿倍，是海王星与太阳距离的 30 倍
不可否认，它们体型巨大。但一些科学家认为，那里可能潜伏着更大的怪物。
“从理论角度来看，没有限制，”英国纽卡斯尔大学观测宇宙学家詹姆斯·南丁格尔 (James Nightingale) 说，他于 2024 年 3 月发现了一个质量为太阳质量 330 亿倍的超大质量黑洞。
我们所知道的黑洞大小不一。最小的微黑洞可能只有原子那么大。我们更熟悉的可能是恒星质量黑洞，这是超大质量恒星坍缩的结果。加拿大蒙特利尔大学的天体物理学家 Julie Hlavacek-Larrondo 说，恒星质量黑洞的质量约为太阳的 3 到 50 倍，但会压缩成一个“大约伦敦大小”的物体。中等质量黑洞是下一类黑洞，其质量可达太阳的 50,000 倍左右，覆盖的空间区域与木星大小相当。超大质量黑洞的质量可达太阳的数百万倍或数十亿倍。
虽然目前还没有对超大质量黑洞的严格定义，但人们普遍认为，超大质量黑洞的质量“是太阳质量的 100 亿倍”，Hlavacek-Larrondo 说道。虽然原则上没有理由黑洞不能增长到这个大小，但考虑到我们目前对黑洞增长的理解以及宇宙相对年轻的年龄（只有 137 亿年），它们的存在是意料之外的。
“使用传统的摄取方法很难形成如此巨大的黑洞，”Hlavacek-Larrondo 表示，他指的是黑洞如何利用其引力从周围吸收物质。“我认为人们没想到它们会存在。”
如果你不断给黑洞提供能量，原则上它就会不断增长，无限增长，任何穿过事件视界的物体或物质都会导致黑洞质量增长。
实际上，宇宙的年龄和我们认为黑洞生长的速度应该会限制它们的大小，目前可能不超过2700 亿个太阳质量。然而，一些科学家认为，如果一些黑洞能够比预期更快地吞噬物质，它们可能会长得更大，在现代宇宙中达到数万亿个太阳质量。这些物体被称为“巨大黑洞”，其半径约为一光年。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某些星系中心的可能性。
天文学家在2010 年代初发现了第一个超大质量黑洞。从那时起，人们发现了大约 100 个。2023 年 3 月，南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330 亿个太阳质量。他们之所以能看到它，是因为来自更遥远星系的光在黑洞周围弯曲了。“这是一个非常偶然的发现，”南丁格尔说。
它们一定是在宇宙历史的早期诞生，然后猛烈地吞噬物质
由于黑洞的本质，我们无法直接看到它们——在黑洞的边界，也就是所谓的事件视界，引力非常强大，以至于任何东西都无法逃脱，甚至连光都无法逃脱。所以，只有当它们在 被黑洞吞噬的周围明亮物质上投下阴影时，我们才能看到 它们。然而，通过观察星系并注意中心黑洞的影响，我们可以更容易地推断出它们的存在。一种方法是寻找 从黑洞两极发射出的强大喷流。“我们仍然不了解它们如何形成这些结构，但它们确实形成了，”Hlavacek-Larrondo 说。这些射电喷流可以延伸 数百万光年 的长度。
黑洞在吞噬物质时，还会产生围绕其旋转的热物质环，称为吸积盘。Hlavacek-Larrondo 表示，物质在黑洞周围快速旋转，巨大的引力使其“以大约光速”旋转。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大致相同——落到 事件视界之外 ，就无法逃脱。质量越大，事件视界的半径就越大。但超大质量黑洞确实因其尺寸而具有一个有趣的特性。
如果你不幸落入恒星质量黑洞，你会经历一种被称为“意大利面条化”的现象——你的身体会被拉长到无限远——因为你的脚和头之间的重力不同。然而，在超大质量黑洞中，重力梯度要小得多，因为它延伸到太空更远的地方，以至于你几乎感觉不到自己 落入 了事件视界之外。“意大利面条化不会发生，”南丁格尔说。唯一会暴露你命运的是你周围的星光因黑洞引力而扭曲。
得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜的强大威力，天文学家现在可以观测到越来越远的星系，而由于光从宇宙遥远的角落到达我们这里需要时间，因此观测到的星系也越来越远。这使得他们能够看到宇宙存在最初几亿年的星系。如此遥远的黑洞之所以能长得这么大，它们一定是在宇宙历史的早期诞生，然后猛烈地吞噬物质，这违背了我们对黑洞形成极限的了解。然而，天文学家开始看到这方面的证据。
在我们能够观测到的一些最古老的宇宙深处，詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了以前从未见过的星系类型。科学家们发现了数百个奇特的致密星系，它们的亮度远超预期，存在于宇宙大爆炸后约 6 亿年到 10 亿年。由于它们的颜色和大小，它们被称为小红点星系。它们发出的光尤其令人惊讶，这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在快速增长。在我们附近的宇宙中，星系中心的大型黑洞往往比其宿主星系小约 1,000 倍。但詹姆斯·韦伯太空望远镜在宇宙诞生之初就发现了与自己星系大小相同的黑洞，这表明黑洞可能在星系周围生长之前就已形成。
英国剑桥大学宇宙学家汉娜·尤布勒说，与当地宇宙相比，这些质量比我们预期的“几十到几百倍”要大。天文学家将这些早期的巨星称为“超大质量黑洞”。尤布勒曾使用詹姆斯·韦伯太空望远镜观察过这些早期黑洞，他说：“这真的令人惊讶，对理论模型提出了挑战，无法解释这些黑洞如何能如此迅速地增长到如此大的质量。”
这些黑洞如何如此迅速地增长仍是一个谜，可能与黑洞在早期宇宙中的主要形成方式有关。一种观点认为，它们形成于宇宙中第一批恒星的死亡，即所谓的第三星族恒星——这些恒星的质量是太阳的 100 到 1,000 倍，几乎完全由氦和氢组成。这些恒星在其生命的最后阶段爆发超新星——一场巨大的恒星爆炸——向宇宙释放了更重的元素。这些元素后来会形成其他恒星，并最终形成行星，包括我们的太阳和地球。但它们的死亡也可能产生巨大的黑洞，因为物质在重力作用下向内坍缩。
西班牙空间科学研究所的天体物理学家马尔·梅斯库亚 (Mar Mezcua) 表示：“这些恒星的黑洞比恒星质量黑洞更大。由此，黑洞可以不断生长，并更有可能在短时间内成为超大质量黑洞。”
另一个更可能的可能性是，第一批黑洞主要不是由恒星形成的，而是由气体云形成的，即直接坍缩黑洞。通常，这些气体云在重力作用下凝结时会形成恒星，但如果温度足够高，一些气体云可能不会形成恒星，而是直接坍缩成黑洞。“这些条件在目前的宇宙中是不存在的，”梅兹库亚说。然而，她说，在早期宇宙炎热、动荡的条件下，这可能是可能的。
目前尚未明确发现第三族恒星或直接坍缩黑洞，因此尚不清楚哪种机制（如果有的话）主导了早期宇宙的黑洞形成。
无论这些黑洞是如何形成的，它们肯定已经找到了一种相当快地增长到很大尺寸的方法。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，然后是一些超大质量。这将支持它们起源于第三星族恒星的想法，因为这类恒星的数量要比直接坍缩黑洞多。“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星族机制形成的，”梅兹库亚说。如果天文学家在可能出现中等质量黑洞的较小矮星系等地方发现一些中等质量黑洞，这可能支持直接坍缩黑洞的想法，梅兹库亚说。
超大质量黑洞也可能通过爆发式地快速消耗物质而快速增长，詹姆斯·韦伯太空望远镜已经发现了这种现象的证据。天文学家观察到一些早期星系明亮而活跃，但另一些星系中有一个似乎处于休眠状态的大型黑洞，这表明后者在进入休眠状态之前一定已经消耗了大量物质。“我们不知道这个周期会持续多久，”Hlavacek-Larrondo 说。然而，他说，快速消耗的时期可能很少见。“可能只占黑洞寿命的 1%。”
目前尚不清楚的是，现代宇宙中的黑洞到底有多大。“我们根据宇宙的年龄做出了粗略的估计，”Hlavacek-Larrondo 说，宇宙的质量约为 2700 亿倍太阳质量。“但也许宇宙会让我们大吃一惊。”