科学研究 - 东京大学和日本国立天文台，发现宇宙初期存在超出预想的多个巨大黑洞

东京大学和日本国立天文台（NAOJ）的一个研究团队发表研究成果称，发现宇宙初期银河中心的巨大黑洞数量是之前推测的50多倍。该研究团队根据从去年开始观测的“詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）”在120亿～130亿光年外狭窄视场中获得的数据，意外地发现了10个巨大黑洞。研究还表明，巨大黑洞当时存在于各种类型的银河中，并且迅速成长。该成果是探索巨大黑洞诞生机制的一项重要成果。

本次研究发现的10个巨大黑洞伪彩色图像。还可以看到从银河中扩散出的多彩的光（供图：美国国家航空航天局=NASA、欧洲航天局=ESA、加拿大航天局、播金优一助教）。

黑洞是一种具有极强引力的密度极高的天体。根据广义相对论，其周围的时空会被扭曲，甚至连光也无法逃逸。它是大质量恒星在生命末期发生大爆炸后坍缩形成的。此外，许多银河的中心都存在比太阳重100万～100亿倍的巨大黑洞，但其诞生的确切时期和机制尚不明确。在人类存在的银河系中心还有一个名为“人马座A*”的巨大黑洞。

由于光的到达需要时间，例如当人类用望远镜观察100亿光年外的天体时，看到的就是该天体100亿年前的状态。银河和黑洞也同样，研究遥远的天体可以帮助了解其过去的情况。

然而，距离遥远的黑洞很难观测。传统上，探测120亿～130亿光年外（即120亿～130亿光年前）的巨大黑洞通常使用地面望远镜捕捉巨大黑洞吞噬周围天体发出的光芒（“类星体”）的方法。但是，由于这种方法只能发现相同时期的银河数量的千分之一，因此人们一直认为宇宙初期巨大黑洞非常少。

黑洞中心拥有闪亮的类星体的银河想象图（供图：NASA、ESA、美国太空望远镜科学研究所J. Olmstead）

美国、欧洲和加拿大运营的詹姆斯·韦伯太空望远镜大幅提高了遥远宇宙红外观测的灵敏度。因此，研究团队研究了该望远镜的观测数据，并在120亿～130亿光年前的185个银河中的10个中发现了揭示巨大黑洞存在的独特氢特征。根据之前的见解，计算显示该望远镜的狭窄视场上会发现0.2个，也就是基本找不到，但此次却意外发现了其50倍数量的巨大黑洞。

意外发现50倍数量的巨大黑洞（供图：播金优一）

该望远镜还捕捉到了银河中心有巨大黑洞的光线。颜色有黄色、蓝白色、红色等，形状也多种多样。这表明巨大黑洞普遍存在于当时各种类型的银河中。

此次捕捉到的巨大黑洞的质量仅为此前观测到的类星体中心的巨大黑洞质量的1/100，被认为更接近于形成初期。据研究人员推测，巨大黑洞可能在这一时期迅速成长。

研究团队的东京大学宇宙射线研究所的播金优一助教（宇宙物理学）在新闻发布会上表示：“宇宙初期的巨大黑洞的形成和成长比此前认为的还要早。这一成果对我们了解宇宙的起源有相当大的影响。尽管我们已建立了解释类星体数量少的理论模型，但仍无法解释此次的成果。此外，如果将与本次捕捉到的不同类型计算在内，巨大黑洞可能会更多。我们将通过对130亿年前也进行详细研究，逐步揭开谜团”。

相关成果已于2023年12月6日发表在美国天文期刊《天体物理学杂志（The Astrophysical Journal）》上。

继这一成果之后，播金优一助教等东京大学和日本国立天文台的研究团队再次发表研究成果称，根据詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测数据，发现观测史上距离最远的134亿～135亿光年外的5个银河中，恒星在比传统理论预测更短的时间内陆续诞生。5个银河中的2个为新发现的。研究团队表示“这表明宇宙初期银河的形成过程可能不同于以往的设想，为理解初期银河的性质提供了重要线索”。相关成果已于2023年12月23日同样发表于《天体物理学杂志（The Astrophysical Journal）》上。