類星體J0313-1806的想象圖 圖片來源：NOIRLab/NSF/AURA/J。
da Silva
撰文 | 王昱
審校 | 王飛格（主要參考論文作者）
黑洞除了能吸收光線，還能吸引天文學家好奇的目光，它一直是天文領域的明星。一般認為，當恒星質量大於20個太陽質量時，會在演化末期發生超新星爆炸，而爆炸殘餘物就是一個黑洞，這樣形成的黑洞不過5個太陽質量左右。想要得到星系中心的超大質量黑洞，最流行的假設是將這些黑洞視作「種子」，通過吸積物質、與其他黑洞合並不斷成長。而近期發現的最遠類星體，則在這種理論之外，驗證了一種全新的黑洞形成理論。
遙遠的類星體
現在我們都知道宇宙正在加速膨脹，離我們更遙遠的天體會以更快的速度遠離我們，它們發出的光也會由於多普勒效應而產生紅移。而對於宇宙早期的天體，其紅移z也能用於表示星系的距離——紅移越高，對應的距離也就越遠。迄今為止，只有三個類星體的紅移z超過了7.5，全都是同一個團隊發現的，其中新發現的J0313-1806就是本次的主角。
J0313-1806的紅移達到了7.642，也就是離地球130.3億光年遠。我們今天看到的它發出的光，是在宇宙大爆炸後6.7億年時發出的。它是目前人類發現的最遙遠的類星體，比先前的紀錄保持者遠了2000萬光年。
「類星體」這個名字來源於准恒星狀電波源（quasi-stellar radio source）的縮寫，20世紀50年代發現這種天體時，它們是可見光照片中類似恒星狀態的微弱光點，被認定為未知的電波發射源。它們的亮度非常誇張，是銀河系這樣普通星系的數千倍。但是其發出的光變化非常迅速，由光速有限推斷類星體的尺度不會超過太陽系。也就是說，數千倍於整個銀河系的能量集中在太陽系大小的範圍內，對此天文學家自然提出了多種假說，其中最廣為接受的學說是：類星體是活動星系核中超大質量黑洞吸積造成的。
我們之所以能觀測到這麼遙遠的類星體，重要的原因就是它擁有極高的亮度。J0313-1806的光度大約是1.4×1040W，相當於36萬億個太陽。據推測，其中心有一個16億倍太陽質量的黑洞，大約是銀河系中心黑洞人馬座A*的400倍。這個超大質量黑洞平均每年吸入25個太陽質量的物質，劇烈的吸積除了讓它能向其所在星系內吹出相對論性速度的炙熱等離子風暴之外，也是它如此明亮的原因之一。
不過，也正是由於在遙遠距離對應的宇宙早期發現了質量如此大的黑洞，暗示這個黑洞可能並不是按照傳統的黑洞形成模型誕生的。
黑洞謎題
其實，對於超大質量黑洞是如何產生的，天文學家並沒有確定的結論。如果是按照最流行的小黑洞吸積、合成成為大黑洞的方式，其實存在很多問題亟待解決。其中兩個比較顯著的問題就是中等質量黑洞問題和宇宙引力波背景問題。
目前已經確定質量的黑洞大多分為兩類，一種是不到100倍太陽質量的恒星級黑洞，一種則是超過100萬倍太陽質量的超大質量黑洞。而在100倍到100萬倍中間，存在著一個巨大的缺口。如果超大質量黑洞是通過恒星級黑洞合並形成的，那我們就不可能找不到中等質量黑洞。不過幸運的是，LIGO在去年公布了他們在2019年首次發現的中等質量黑洞，這是由兩個質量分別為85倍和66倍太陽質量的黑洞合並形成的142倍太陽質量的黑洞。隨著LIGO的精度一步步提高，研究人員說不定能發現越來越多的中等質量黑洞，這個問題或許可以得到解決。
圖片來源：LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky， Aaron Geller / Northwestern
另一個問題是宇宙的引力波背景問題。如果超大質量黑洞是通過小黑洞一步步合並而來的，那麼宇宙中必然充滿了黑洞合並產生的引力波，其中也可能會有兩個超大質量黑洞合並產生的引力波。許多引力波疊加成宇宙尺度的隨機引力波背景，會對時空產生1年量級的周期性影響，通過對脈沖星進行精確周期測量可以檢測出這種影響。脈沖星計時陣列十幾年來鮮有進展，直到近期，北美納赫茲引力波天文台（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，NANOGrav）在《天體物理學雜志快報》上發表論文，表明他們可能發現了1年量級的引力波背景。如果最終證實他們的數據不是由於誤差引起的話，那麼的確可能找到了來自超大質量黑洞合並的證據。
用脈沖星計時陣列或許能找到超大質量黑洞合並的證據 圖片來源：NASA Goddard Space Flight Center
「大魚吃小魚」這種超大質量黑洞形成理論雖然並沒有獲得決定性的證據，但至少看上去可能剛剛有所進展。並且由於精度問題，引力波的探測範圍也不可能覆蓋到宇宙早期的原初種子黑洞。就算這些進展都非常可靠，對於宇宙早期超大質量黑洞的形成，它們都是無能為力的。但J0313-1806卻斬釘截鐵地告訴我們，它所包含的黑洞源於不同的過程，而不可能是從小黑洞一步一步合並而來的。
直接形成的黑洞
亞利桑那大學哈勃學者、該研究論文的主要作者王飛格指出：「由第一代大質量恒星形成的黑洞，不可能在幾億年內長到如此大的質量。」
從小質量成長為大質量黑洞是一個非常緩慢的過程，根據他們的計算，就算這個黑洞早在宇宙大爆炸後1億年就已經形成，那麼它至少也需要一個擁有1萬個太陽質量的種子黑洞。但是對於極早期的宇宙來說，第一代恒星產生的黑洞質量最大也不會超過幾百個太陽質量，所以這個超大質量黑洞不可能是由小質量的種子黑洞長成的。
論文合著者，亞利桑那大學天文系副主任樊曉暉教授表示：「這告訴你無論怎樣，這個黑洞的‘種子’必須以不同的機制形成。對於此次的黑洞，需要大量原初的、冷的氫分子氣體直接塌縮成一個種子黑洞。」
這是一種於2006年提出的黑洞形成理論。暗物質暈中在宇宙大爆炸核合成時期就形成的原初氣體，在引力自束縛的條件下，由於失控的全局動力學不穩定性，快速失去角動量向中心坍塌。壓縮導致的高壓環境的確會點燃其中的核聚變，但整個系統質量太過龐大，中心溫度過高，其散熱機制和恒星形成時存在巨大差異。中微子輻射在這一階段散熱非常有效，快速冷卻核心，從而導致中心黑洞的形成和快速生長。這種機制不需要以第一代恒星為原料，是唯一一種允許類星體J0313-1806中的黑洞在宇宙早期成長到16億倍太陽質量的機制。
J0313-1806的質量成長起點已經不可避免的落入了直接坍塌黑洞（direct-collapse black hole，DCBH）的範圍 圖片來源：Feige Wang et al 2021 ApJL 907 L1
雖然直接由原初氣體塌縮形成的黑洞和流行的說法並不一致，但王飛格也沒有完全否定這種「大魚吃小魚」的方式，只是給出了另一種黑洞形成機制的可能。「對於我們近鄰宇宙中的超大質量黑洞（比如銀河系中心的黑洞），我相信很多是由小質量的黑洞逐漸合並形成的，」王飛格這樣表示，「當然我們目前還缺少直接的觀測證據。」
除了研究黑洞本身的形成機制外，最遠類星體也是研究黑洞如何影響其宿主星系的好機會。類星體會在其宿主星系中產生高速星風，而J0313-1806的星風速度甚至高達20%光速。亞利桑那大學的博士後研究員（Strittmatter學者）楊錦怡說：「如此極端高速的外向流釋放的能量足以影響整個類星體宿主星系。」理論認為類星體的外向流會抑制其宿主星系中的恒星形成，而該類星體宿主星系中的恒星形成率仍然很高，高達每年200個太陽質量，而銀河系大約只有1個。這其中的緣由值得進一步探索。
可以肯定的是，未來的觀測還能為我們揭開更多關於類星體的秘密，特別是計劃於今年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）。天文學家也希望未來能對宇宙早期的超大質量黑洞進行更深入的研究，了解更多類星體外向流對其宿主星系的影響，並進一步探索早期宇宙中的大質量星系是如何形成的。
