梅努斯大学（MU）的研究人员在《自然·天文学》上发表的一项新研究报告了一个突破性的解释。研究团队认为，答案在于早期宇宙极端而混沌的条件。
“我们发现，早期宇宙存在的混沌条件，触发早期较小的黑洞经历了一场‘饕餮盛宴’，吞噬了周围的所有物质，从而成长为我们在后期观测到的超大质量黑洞，”该研究的第一作者、梅努斯大学物理系的博士研究生达克萨尔·梅赫塔（Daxal Mehta）说。
大爆炸后的快速成长
研究人员利用先进的计算机模拟，重建了第一批黑洞形成后的行为。
“我们利用最先进的计算机模拟揭示，第一代黑洞——即大爆炸后仅数亿年诞生的那些——以惊人的速度成长，达到了我们太阳质量的数万倍。”
这些结果有助于解释詹姆斯·韦伯空间望远镜做出的令人困惑的观测，该望远镜探测到的大质量黑洞存在的时间远早于许多理论的预测。
“这一突破解开了天文学的一个重大谜团，”梅努斯大学博士后研究员、研究团队成员刘易斯·普罗尔博士（Dr. Lewis Prole）说。“这个谜团就是，正如詹姆斯·韦伯空间望远镜所观测到的，早期宇宙中诞生的黑洞是如何如此迅速地达到如此超大质量的。”
黑洞的“饕餮盛宴”
模拟指出，密集且富含气体的早期星系是这种快速成长的关键驱动力。在这些环境中，黑洞通过一种被称为“超爱丁顿吸积”的过程，经历了短暂但剧烈的生长爆发。当黑洞吸入物质的速度超过传统物理学认为其应有的能力时，就会发生这种情况。
在正常情况下，下落物质产生的辐射会将气体推开。然而，在早期宇宙中，黑洞却似乎能够突破这一限制继续“进食”，从而使它们能够以极高的速率增加质量。
这一过程似乎为宇宙的第一批恒星与后来在星系中心观测到的超大质量黑洞之间，提供了一个长期缺失的联系。
重新思考黑洞起源
“此前人们认为，这些微小黑洞太小，无法成长为在早期星系中心观测到的庞然大物，”达克萨尔·梅赫塔说。“我们在此证明的是，只要条件合适，这些早期黑洞虽然小，却能够以惊人的速度成长。”
天文学家将早期黑洞大致分为两类，即“重种子”和“轻种子”类型。轻种子黑洞起始质量相对适中，大约从太阳质量的十倍到几百倍不等。要成为超大质量黑洞，它们必须随着时间的推移急剧增长，最终达到数百万太阳质量。
相比之下，重种子黑洞被认为在形成时就已经很大，诞生时的质量可能高达太阳质量的十万倍。
挑战长期以来的假设
直到现在，许多科学家还认为，只有重种子黑洞才能解释早期宇宙中存在超大质量黑洞的现象。
“现在我们不那么确定了，”梅努斯大学物理系研究员、该研究小组负责人约翰·里根博士（Dr. John Regan）说。“重种子有些特殊，可能需要罕见的条件才能形成。我们的模拟表明，你们‘普通常见’的恒星质量黑洞在早期宇宙中也能以极快的速度成长。”
研究结果表明，在形成大质量黑洞方面，早期宇宙远比之前假设的要更加动荡和高效。
“早期宇宙比我们预期的要混乱和动荡得多，其中大质量黑洞的数量也比我们预期的要多得多，”里根博士说。
对未来太空任务的影响
除了重塑黑洞形成的理论，这项研究还对即将到来的空间天文台具有启示意义。特别是，它可能会影响科学家对定于2035年发射的欧空局-美国宇航局联合项目“激光干涉仪空间天线（LISA）”任务的预期。
“未来该任务的引力波观测或许能够探测到这些微小、早期、快速成长的‘婴儿’黑洞的合并，”里根博士说。
此类探测将为研究宇宙最早期的黑洞提供一种强大的新方法，并验证这些快速成长的情景是否如模拟所显示的那样发生。
