北京大學(xué)吳學(xué)兵教授在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表文章，對(duì)最古老超大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)過(guò)程及其科學(xué)意義進(jìn)行了簡(jiǎn)要解讀，并對(duì)今后相關(guān)研究進(jìn)行了展望。
美國(guó)《科學(xué)新聞》雜志網(wǎng)站在2021年12月20日的報(bào)道中，梳理了2021年令人驚奇的6大科學(xué)紀(jì)錄[1]，其中天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今最古老的巨大黑洞（即紅移為7.642的類星體J0313-1806中心質(zhì)量為16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞）名列榜首（圖1），這些新發(fā)現(xiàn)拓展了科學(xué)研究的極限和人類的想象力。本文將對(duì)這一發(fā)現(xiàn)迄今最古老巨大黑洞的研究過(guò)程及其科學(xué)意義進(jìn)行簡(jiǎn)要解讀，并對(duì)今后相關(guān)研究進(jìn)行展望。
圖1 擁有迄今發(fā)現(xiàn)的最古老黑洞的類星體J0313-1806示意圖[1]。中心黑洞周圍為明亮的吸積盤(pán)，并存在高速外流的風(fēng)。來(lái)源：美國(guó)OIRLab/NSF/AURA/J. da Silva
黑洞是宇宙中最神秘的天體，也是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的產(chǎn)物。2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)公布了利用全球8個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡組成的干涉陣拍攝的近鄰星系M87中心黑洞的首張照片，引起舉世轟動(dòng)[2,3]。2020年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了從事黑洞形成理論研究和銀河系中心黑洞觀測(cè)研究的3名科學(xué)家[4]，再次展現(xiàn)了黑洞研究的重要科學(xué)價(jià)值。黑洞在宇宙中普遍存在，已成為科學(xué)界共識(shí)。那么，宇宙中最古老的黑洞年齡有多大？質(zhì)量有多重？它又是如何形成的？天文學(xué)家在2021年1月發(fā)表的一項(xiàng)觀測(cè)研究成果對(duì)這些問(wèn)題給出了最新的答案[5]。
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破紀(jì)錄的發(fā)現(xiàn)
最古老的黑洞是在宇宙誕生后不久就形成的。由于大爆炸后的宇宙膨脹，最早形成的天體存在于離我們最遙遠(yuǎn)的宇宙，也就是早期宇宙中。在如此遙遠(yuǎn)的距離上發(fā)現(xiàn)它們十分困難，但幸運(yùn)的是有些古老的黑洞位于其周圍有足夠氣體供給的類星體中心，這些類星體由于黑洞周圍氣體吸積盤(pán)內(nèi)釋放出的巨大能量而非常明亮[6]，以至于有些在地球上也能觀測(cè)到。搜尋這些宇宙中最遙遠(yuǎn)的類星體（也稱高紅移類星體，紅移越大表明距離越遠(yuǎn)）就成為天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)其中心最古老黑洞的重要手段。
著名華裔天文學(xué)家、美國(guó)亞利桑那大學(xué)樊曉暉教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)（包括北京大學(xué)的幾位成員）一直從事發(fā)現(xiàn)最遙遠(yuǎn)高紅移類星體的觀測(cè)研究。2015年，以北京大學(xué)為主的團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)了紅移為6.3的宇宙早期發(fā)光最亮、中心黑洞質(zhì)量最大（約120億倍太陽(yáng)質(zhì)量）的類星體J0100+280[7]。近年來(lái)，亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了發(fā)現(xiàn)紅移7以上（即宇宙大爆炸后8億年之內(nèi)）最遙遠(yuǎn)類星體的觀測(cè)研究。2020年，他們?cè)l(fā)現(xiàn)一個(gè)紅移為7.52、中心黑洞質(zhì)量為15億倍太陽(yáng)質(zhì)量的類星體J1007+2125[8]，該類星體離我們的距離僅次于歐洲科學(xué)家為主的團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)現(xiàn)的紅移為7.54、中心黑洞質(zhì)量為8億倍太陽(yáng)質(zhì)量的類星體J1342+0928[9]（亞利桑那大學(xué)部分成員也參與了這一發(fā)現(xiàn)）。
2021年1月20日，亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在美國(guó)《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》發(fā)表論文，報(bào)道發(fā)現(xiàn)了一個(gè)紅移為7.64的類星體J0313-1806，刷新了已知宇宙中距離最遠(yuǎn)的高紅移類星體新紀(jì)錄[5]。團(tuán)隊(duì)利用智利的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡、雙子座南天望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)夏威夷的雙子座北天望遠(yuǎn)鏡、凱克望遠(yuǎn)鏡對(duì)J0313-1806進(jìn)行了近紅外波段的光譜觀測(cè)，這些口徑6.~10 m的大型地面望遠(yuǎn)鏡多次觀測(cè)疊加后的光譜如圖2(b)所示。從中可見(jiàn)靜止波長(zhǎng)分別為1216和2798 ?的Lyα和MgII發(fā)射線已紅移到觀測(cè)波長(zhǎng)約10500和24100 ?處，因此這一類星體的紅移應(yīng)在7.6以上。該類星體光譜中還在靜止波長(zhǎng)1350 ?附近存在很強(qiáng)的寬吸收線特征，顯示有速度高達(dá)每秒數(shù)萬(wàn)公里的高速外流物質(zhì)以風(fēng)的形式從該類星體噴出。圖2(a)的光學(xué)-紅外波段圖像也顯示，在y、z的光學(xué)長(zhǎng)波波段該類星體不可見(jiàn)，但在J、K近紅外波段和W1、W2中紅外波段則可被探測(cè)到，這都符合高紅移類星體的典型觀測(cè)特征。
圖2 類星體J0313-1806的光學(xué)-紅外波段圖像(a)和近紅外波段光譜(b)[5]。(b)圖中深色和下面淺色曲線分別為進(jìn)行過(guò)銀河系消光改正后的該類星體光譜和誤差。點(diǎn)虛線為擬合的連續(xù)譜。實(shí)心圓點(diǎn)是由J、K波段測(cè)光給出的流量值。左端最上面曲線是在靜止波長(zhǎng)下作為比較的紅移為2的類星體合成譜。小圖給出了對(duì)該類星體MgII發(fā)射線的光譜擬合
為精確確定這一最遙遠(yuǎn)類星體的紅移并研究其宿主星系的特性，研究團(tuán)隊(duì)還利用智利的阿塔卡瑪大型毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡(ALMA)對(duì)其進(jìn)行了塵埃連續(xù)譜和一次電離碳［CII］發(fā)射線的觀測(cè)，結(jié)果顯示該類星體宿主星系擁有高達(dá)每年200多個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星形成率，對(duì)觀測(cè)結(jié)果的光譜擬合給出了其更精確的紅移值為7.642。這一創(chuàng)紀(jì)錄的類星體紅移值顯示該類星體存在于宇宙年齡為6.7億年時(shí)，離我們距離約130億光年，而其中心黑洞也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的黑洞。它的年齡比先前的紀(jì)錄保持者、紅移為7.54的類星體J1342+0928還要早2000萬(wàn)年。按距離推算，其發(fā)光強(qiáng)度相當(dāng)于太陽(yáng)發(fā)光功率的36萬(wàn)億倍。
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最古老黑洞的質(zhì)量及其形成
利用圖2光譜中探測(cè)到的Mg II發(fā)射線寬度（半高全寬FWHM為3670 km/s）和連續(xù)譜強(qiáng)度，研究團(tuán)隊(duì)基于一些普遍使用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算出類星體J0313-1806的中心黑洞質(zhì)量為16億倍太陽(yáng)質(zhì)量，這比此前已知的最古老類星體J1342+0928的黑洞還要重兩倍！在宇宙年齡只有6.7億年時(shí)（相當(dāng)于現(xiàn)在宇宙年齡的5%，現(xiàn)在宇宙年齡為137億年），就存在質(zhì)量為16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這非常讓人吃驚。這么重的黑洞又是如何在如此短時(shí)間內(nèi)形成的？
對(duì)宇宙早期的黑洞形成，先前一種普遍接受的解釋是，宇宙早期第一代恒星（也稱星族III恒星）在其壽命結(jié)束時(shí)經(jīng)過(guò)超新星爆發(fā)后形成種子黑洞[10]。這些黑洞隨后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地合并和吸積周圍物質(zhì)，逐漸成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞。但第一代恒星的質(zhì)量只有約1000倍太陽(yáng)質(zhì)量，只能形成幾百倍太陽(yáng)質(zhì)量重的種子黑洞（圖3最下面陰影區(qū)域），它們?cè)谟钪鎯H僅幾億年的時(shí)間內(nèi)是無(wú)法成長(zhǎng)到16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的！另一種基于致密恒星星團(tuán)內(nèi)大質(zhì)量恒星塌縮的黑洞形成理論預(yù)言也只能形成幾千倍太陽(yáng)質(zhì)量的種子黑洞[11]（圖3中間陰影區(qū)域），同樣無(wú)法解釋16億倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞的形成。目前看來(lái)，早期宇宙中這類超大質(zhì)量黑洞很可能是通過(guò)其他方式形成的，比如很可能是大量原始的冷氫氣直接坍縮成一個(gè)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的種子黑洞[12]（圖3最上面陰影區(qū)域），然后再通過(guò)最高效地吸積周圍物質(zhì)迅速增長(zhǎng)其質(zhì)量（圖3紅線所示），這樣才可能解釋類星體J0313-1806中16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的最古老黑洞的形成。其實(shí)早在2015年，北京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)所發(fā)現(xiàn)的紅移為6.3的宇宙早期發(fā)光最亮的類星體J0100+2802中心就存在重約120億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞[7]，已對(duì)當(dāng)時(shí)的黑洞形成理論構(gòu)成了挑戰(zhàn)。新發(fā)現(xiàn)的紅移為7.642的類星體J0313-1806在更遠(yuǎn)的距離上，其最古老的黑洞成長(zhǎng)的時(shí)間更短，如果其16億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞通過(guò)最高效地吸積物質(zhì)增長(zhǎng)質(zhì)量，到紅移6.3時(shí)其質(zhì)量將超過(guò)120億倍太陽(yáng)質(zhì)量，因此它給目前的宇宙早期超大質(zhì)量黑洞形成理論帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。這些發(fā)現(xiàn)意味著基于第一代恒星演化的傳統(tǒng)黑洞形成理論無(wú)法解釋宇宙年齡很小時(shí)質(zhì)量非常大的這類黑洞的形成，而巨大冷氫氣云直接坍縮形成更大質(zhì)量種子黑洞的理論模型可能提供更好的解釋[13]。
圖3 宇宙早期紅移為7以上類星體的黑洞質(zhì)量和其最快速的質(zhì)量增長(zhǎng)過(guò)程[5]。最上面的線表示的是紅移最大類星體J0313-1806中心最古老黑洞的質(zhì)量增長(zhǎng)過(guò)程，要求其種子黑洞質(zhì)量在紅移30時(shí)必須在10000倍太陽(yáng)質(zhì)量以上。圖中三種理論模型中，只有冷氫氣直接坍縮黑洞模型(DCBH)能夠滿足
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展望
亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)所發(fā)現(xiàn)的紅移為7.642、擁有最古老的超大質(zhì)量黑洞的類星體J0313-1806是已知最遙遠(yuǎn)的類星體，它不僅對(duì)我們理解最早的黑洞如何形成非常重要，而且對(duì)理解宇宙年齡在幾億年時(shí)的宇宙再電離階段（紅移12~6）的物理性質(zhì)也是至關(guān)重要的。宇宙再電離是我們宇宙的最后一個(gè)主要相變階段，而明亮的高紅移類星體是為數(shù)不多的能夠用來(lái)示蹤并研究宇宙再電離的天體之一。目前通過(guò)紅移7以上的幾個(gè)類星體的光譜測(cè)量給出當(dāng)時(shí)宇宙中性氫的比例在0.2以上，比紅移6處類星體光譜測(cè)量給出的10-4以上的中性氫比例高很多，顯示出宇宙再電離時(shí)期中性氫比例隨紅移的快速演化[8]。對(duì)最高紅移類星體J0313-1806更詳細(xì)的光譜測(cè)量正在進(jìn)行中，希望不久能給出其中性氫比例的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果。
光譜分析還顯示類星體J0313-1806存在以高速風(fēng)的形式快速流出的物質(zhì)，風(fēng)速高達(dá)光速的20%。這種極端高速外流釋放的能量足以影響整個(gè)類星體宿主星系的恒星形成，這是已知的宇宙中類星體影響其宿主星系成長(zhǎng)的最早例子，也使得類星體J0313-1806成為未來(lái)大型地面和空間天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的一個(gè)非常重要的目標(biāo)。
此外，J0313-1806的宿主星系正經(jīng)歷著快速的恒星形成，產(chǎn)生新恒星的速度比銀河系快200多倍。擁有強(qiáng)烈的恒星形成、巨大的發(fā)光強(qiáng)度和高速的外流等特征，使得類星體J0313-1806成為了解早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞及其宿主星系成長(zhǎng)的最有希望的一個(gè)自然實(shí)驗(yàn)室。未來(lái)對(duì)它的深入觀測(cè)除了可以直接研究宇宙中最早的超大質(zhì)量黑洞如何形成之外，還將讓我們更多地了解類星體高速外流對(duì)其宿主星系的影響以及早期宇宙中最龐大的星系是如何形成和演化的。
2021年12月25日，期待已久的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)終于發(fā)射成功，奔向日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)。韋布望遠(yuǎn)鏡將在光學(xué)和紅外波段對(duì)最遙遠(yuǎn)的宇宙開(kāi)展最激動(dòng)人心的觀測(cè)。發(fā)現(xiàn)最古老黑洞的亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)經(jīng)批準(zhǔn)已獲得韋布望遠(yuǎn)鏡約200小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間，將對(duì)宇宙再電離時(shí)期的類星體和超大質(zhì)量黑洞開(kāi)展紅外圖像和光譜觀測(cè)，有望取得再破世界紀(jì)錄的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，為我們揭示宇宙早期黑洞成長(zhǎng)和星系形成與演化的更多奧秘。
