比例——想想黃金比例及其同類——是我們現實的基石，存在於從音樂到宇宙結構的萬事萬物中。辨別它們是我們對世界經驗認知的來源。利用比例也使得隱藏的事物得以顯現，其方式近乎神奇。在地球上，古生物學家可以透過挖掘出一塊股骨來估計一種早已滅絕的恐龍的大小——因為部分與整體成比例。在天空中，天文學家已經發現並利用了許多類似的關係——從行星系統的結構到星系的聚集——以更深入地瞭解宇宙。
然而，有時，比例可能提供的最深刻的見解來自不和諧而不是和諧。一個最新的例子來自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），它剛剛揭示了宇宙中一種意想不到的不成比例，這種不成比例可能會啟發我們瞭解第一批黑洞的誕生。
近幾十年來，觀測表明，超大質量黑洞（質量是太陽的數百萬或數十億倍）位於大型星系的中心，包括銀河系。在附近的宇宙中，存在著一個優雅的比例：每個中心黑洞的質量約為每個宿主星系恆星質量的0.1%，即千分之一。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠持續產出關於塑造我們當今世界的發現和思想的有影響力的報道。
這真是太了不起了。想象一下，一架鋼琴，其中的音高代表質量：高音高意味著高質量，低音高表示低質量。在宇宙禮堂柔和的光芒中，一個高音符預示著一個巨大星系的出現！然後，一個低音符：一個黑洞物質化了！對於銀河系和環繞它延伸至數十億光年的絕大多數大型星系來說，黑洞和星系音高之間1000倍的差異大約為10個八度音階。這個範圍大於鋼琴所能產生的範圍。令人驚訝的是，JWST對距離我們更遙遠的宇宙（以及考慮到光速有限，時間上更久遠）的研究表明，黑洞和星系正在調諧到完全不同的和諧之中。那些遙遠、古老時代的星系包含的黑洞質量是當今宇宙中類似星系中發現的黑洞質量的10到100倍。在我們的音高類比中，它們之間的差距只有三個八度音階——暗示著一首可以在鋼琴上輕鬆演奏的宇宙奏鳴曲。
正如天體物理學家所說，與我們今天在周圍星系中發現的黑洞相比，這些遙遠的黑洞相對於其宿主而言是“質量過大的”。許多JWST觀測，例如JADES和CEERS巡天中的觀測，現在都支援這個結論。我們正在見證一批生長過快超出其搖籃並在遙遠的比預期更快地蓬勃發展的早期宇宙中的嬰兒黑洞。目前觀測到的最遙遠、最早的黑洞記錄保持者GN-z11，也符合這一令人驚訝的趨勢，天文學家甚至發現了另一個遙遠、早期宇宙的黑洞，其質量可能與其宿主星系一樣大。
為什麼黑洞及其星系家園的相對質量會因其位於遙遠宇宙還是附近宇宙而不同？JWST的資料表明，黑洞最初的質量與其宿主相似。然後，經過數十億年的時間，黑洞及其星系調整了它們的音高，最終達到了我們在本地星系中看到的優美而不和諧的10個八度音階的旋律。黑洞和星系竟然能夠“交流”，這真是令人震驚。儘管黑洞擁有巨大的力量，但與它們的星系家園相比，它們仍然微不足道。如果您想象一個典型的超大質量黑洞的事件視界只有螞蟻那麼長，那麼它的宿主星系的半徑幾乎無法容納在紐約市和洛杉磯之間的空間中。也就是說，這些“螞蟻”正在以某種方式影響著相當於美國大陸的周圍區域。科學家們知道，這些截然不同的領域之間的“溝通渠道”涉及到中心黑洞釋放的巨大能量，這有效地調節了星系形成新恆星的速度，並設定了1:1000的黑洞/星系質量比。但是，關於這種混亂而神秘的機制，許多關鍵細節仍然未知。
為什麼這個比例在早期宇宙中不起作用？為什麼當時的音樂如此不同？這些問題的含義正在衝擊著天體物理學的根基，因為我們首次透過JWST觀察到黑洞形成和與星系共同演化的早期時刻。最近的一些研究認為，這些觀測為某些黑洞是大質量誕生的提供了迄今為止最好的證據。也就是說，與大多數黑洞不同，後者是垂死的大質量恆星留下的相對輕量級的殘餘物，這些黑洞必定是從早期宇宙中充滿的巨大氣體雲的直接坍縮中形成的，從而產生了從一開始就比任何恆星都重得多的龐然大物。如果這是真的，那麼這種越來越有理有據的推測最終將回答天體物理學家經典的“先有雞還是先有蛋”的問題：是中心超大質量黑洞先形成，還是它們的宿主星系先形成？到目前為止，JWST的觀測表明，大質量黑洞先出現，星系恆星形成隨後開始。
最後，我們為什麼現在才發現早期宇宙星系系統的這種令人驚訝的特性？答案是我們剛剛獲得了必要的“電子眼睛”來看到它們：JWST擅長觀測不僅遙遠而且暗淡的宇宙物體。它可以獨特地研究更年輕的黑洞，這些黑洞非常接近宇宙的黎明時期，質量為數百萬而不是數十億個太陽質量，而其他望遠鏡在幾代人的時間裡一直在常規地觀測著那些龐大的重量級黑洞。黑洞越小，它向外輻射的光就越微弱。JWST現在探測到的“較輕的超大質量”黑洞無法像研究人員已經熟悉的較大黑洞那樣，蓋過其宿主星系的光芒。因此，對於這些較小、較年輕的物體，我們可以看到屬於其宿主星系的星光，同時也可以測量它們的質量。正如但丁所寫，JWST前所未有的力量使我們站在瞭解決天體物理學最深刻的謎團之一——星系及其超大質量黑洞的起源——的邊緣，這僅僅是透過讓我們再次看到星星。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。