黑洞是怎么“長(zhǎng)大”的？這是天文學(xué)研究的一個(gè)重要課題。國(guó)際期刊《自然·天文學(xué)》近期發(fā)表的一篇論文介紹，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)處于“狂吃”階段的超大質(zhì)量黑洞——它在宇宙大爆炸后約15億年起就能以極快速度吞噬物質(zhì)。這個(gè)名為L(zhǎng)ID-568的黑洞吞噬物質(zhì)的速度超過(guò)“愛(ài)丁頓極限”40倍。它的發(fā)現(xiàn)為理解早期宇宙中超大質(zhì)量黑洞的形成和快速成長(zhǎng)提供了寶貴線索。
同現(xiàn)有理論不符的新發(fā)現(xiàn)，往往蘊(yùn)藏著科學(xué)發(fā)展的可能。黑洞研究已有100多年歷史。黑洞是一種高密度天體，通常由大質(zhì)量恒星或星云坍縮形成，其引力之強(qiáng)，使得周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的光都無(wú)法逃脫。黑洞可以通過(guò)吸積（即吞噬）周?chē)镔|(zhì)而實(shí)現(xiàn)成長(zhǎng)。落入黑洞的物質(zhì)越多越重，黑洞的質(zhì)量、半徑和體積也就越大。不過(guò)這些物質(zhì)在落入黑洞前會(huì)圍繞它形成發(fā)光發(fā)熱的吸積盤(pán)，從而被人類(lèi)探測(cè)到。同時(shí)，黑洞的壽命不是無(wú)限的。黑洞會(huì)產(chǎn)生一種被稱為“霍金輻射”（因物理學(xué)家霍金發(fā)現(xiàn)而得名）的微弱輻射，從而最終蒸發(fā)消失。這個(gè)蒸發(fā)過(guò)程非常慢。據(jù)估計(jì)，誕生于宇宙之初，質(zhì)量大于10億噸的黑洞，現(xiàn)在應(yīng)該還沒(méi)有蒸發(fā)完。
目前，科學(xué)界關(guān)于早期黑洞的形成機(jī)制主要有兩種理論——輕種子模型和重種子模型。前者認(rèn)為，黑洞起源于宇宙最早一代恒星的坍縮，隨后在吸積過(guò)程中逐漸增大。后者認(rèn)為，黑洞直接由大質(zhì)量氣體云坍縮形成，起始質(zhì)量更大。這兩種理論均認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞的形成需要經(jīng)過(guò)數(shù)億年的持續(xù)吸積。同時(shí)，黑洞的生長(zhǎng)受到“愛(ài)丁頓極限”的制約。“愛(ài)丁頓極限”是一個(gè)理論計(jì)算值，指黑洞在吸積物質(zhì)時(shí)能夠達(dá)到的最大亮度與吞噬速率的平衡點(diǎn)。理論上，超出這一極限，黑洞的輻射壓力會(huì)將吸積物質(zhì)向外推開(kāi)，限制其進(jìn)一步成長(zhǎng)。
此次研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)LID-568時(shí)，它的吸積率遠(yuǎn)超“愛(ài)丁頓極限”。這說(shuō)明宇宙早期的黑洞可能經(jīng)歷過(guò)多個(gè)快速吸積階段，以極快速度在成長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)還證明，無(wú)論形成之初的質(zhì)量如何，這類(lèi)黑洞都能在短時(shí)間內(nèi)快速“進(jìn)食”，一口吃成“大胖子”。這一機(jī)制對(duì)理解黑洞形成過(guò)程至關(guān)重要，揭示了宇宙大爆炸后超大質(zhì)量黑洞形成的潛在多樣性。
近日，國(guó)際期刊《自然》也刊登了英國(guó)劍橋大學(xué)領(lǐng)銜的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡，在大爆炸發(fā)生僅約8億年后的早期宇宙中，探測(cè)到一個(gè)處于休眠狀態(tài)的巨型黑洞，其質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)的4億倍。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它可能“生而巨大”，或者和LID-568一樣在短時(shí)間內(nèi)突破“愛(ài)丁頓極限”，快速生長(zhǎng)，隨后便進(jìn)入漫長(zhǎng)的休眠期。劍橋大學(xué)的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步佐證了現(xiàn)有的黑洞增長(zhǎng)模型仍有完善空間。
作為宇宙中最神秘的天體之一，超大質(zhì)量黑洞不僅是星系中心的“心臟”，更是理解宇宙演化規(guī)律的關(guān)鍵。它的形成和成長(zhǎng)以及與宿主星系的相互作用，勾勒出一個(gè)動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的宇宙生態(tài)系統(tǒng)。近年來(lái)，得益于觀測(cè)工具的不斷升級(jí)，人類(lèi)對(duì)于黑洞的認(rèn)知在不斷刷新。幾年前，人們通過(guò)視界面望遠(yuǎn)鏡首次看到M87星系和銀河系中心的黑洞照片。近兩年，隨著一些更為先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射和應(yīng)用，人們對(duì)于黑洞有了更多的了解。2021年12月發(fā)射的韋布空間望遠(yuǎn)鏡，紅外靈敏度極高，能夠捕捉到光學(xué)波段無(wú)法觀測(cè)到的距離地球很遠(yuǎn)的天體——高紅移天體；1999年發(fā)射的錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)依舊是目前最強(qiáng)大的X射線望遠(yuǎn)鏡之一，專(zhuān)門(mén)觀測(cè)高能天體。
未來(lái)隨著觀測(cè)技術(shù)的提升和多學(xué)科交叉研究的深化，研究人員將能更詳細(xì)地刻畫(huà)黑洞的生長(zhǎng)歷史和物理機(jī)制。人類(lèi)正逐步揭開(kāi)隱藏在宇宙深處的“冰山”，這些新發(fā)現(xiàn)或?qū)㈩嵏矀鹘y(tǒng)宇宙觀，為探索自然界的終極奧秘開(kāi)啟新的篇章。
（作者為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授）
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年03月03日 11 版）