當天文學家回顧宇宙歷史的最初篇章時，他們發現了一大群巨大的黑洞，這些黑洞的成熟速度似乎比科學家們認為的要快得多。
普里亞姆瓦達·納塔拉詹 就像一位宇宙生物學家。她研究這些早熟黑洞的生命，這些天體非常緻密，以至於它們將所有物質和光線都囚禁在自己的掌控之中。作為一名天文學研究生，納塔拉詹是最早將黑洞視為種群而非個體天體進行研究的人之一，她研究它們的總體分類和演化，就好像它們是雨林中的蝙蝠一樣。現在作為耶魯大學的天體物理學家，納塔拉詹繼續研究這些“動物”的行為，並且她已將重點轉向理解它們是如何誕生的。
傳統上，黑洞是在大型恆星爆炸後形成的，它們透過吞噬附近的氣體庫來增加質量。但是，對極早期宇宙中超大質量黑洞的一些觀測表明，情況並非如此簡單。2006年，納塔拉詹和她的同事提出了一個激進的新解釋，說明氣體盤如何直接坍縮成異常巨大的嬰兒黑洞，而無需先形成恆星。去年，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）和錢德拉X射線天文臺的聯合觀測發現了一個遙遠而明亮的黑洞，這似乎最終證實了納塔拉詹的預測。
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羅馬 Sapienza 大學的天體物理學家 Raffaella Schneider 說：“這絕對是非常有力的證據，支援這些重黑洞種子。” “[納塔拉詹] 提出這個想法確實幫助科學界擴大了我們對可能發生的各種可能性的看法。”
納塔拉詹與《大眾科學》大眾科學 談到了最近的觀測如何支援她關於“直接坍縮黑洞”的提議，以及這些觀測告訴我們關於這些天體起源的資訊。
[以下是採訪的編輯稿。]
是什麼讓您對研究黑洞及其起源感興趣？
我一直被宇宙中看不見的實體所吸引。我的工作主要集中在從根本上理解宇宙中這些黑暗成分的本質——暗物質和暗能量，以及黑洞。我發現這些天體非常具有吸引力且神秘莫測。它們提醒我們知識的侷限性，以及已知物理定律失效的地方。
在過去的幾十年裡，黑洞已經從一個純粹的數學概念變成了我們可以觀測到的真實天體，並且它們現在在我們理解星系如何形成的過程中佔據了中心舞臺。宇宙中到處都是各種大小的黑洞。它們是我們宇宙清單的重要組成部分，因此瞭解它們是如何形成的仍然是一個基本的未解之謎。
關於黑洞的形成，我們還有哪些不瞭解？
通常，黑洞是在恆星死亡時誕生的。當質量最大的恆星發生引力坍縮時，它們留下的微小核心就是一個黑洞。這是一個相當明確的已確立的起源故事。
有史以來探測到的最遙遠的X射線黑洞位於星系UHZ1中，由NASA的錢德拉X射線天文臺（紫色）成像，並結合了NASA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的紅外資料（紅色、綠色、藍色）。
X射線：NASA/CXC/SAO/Á科斯·博格丹；紅外線：NASA/ESA/CSA/STScI；影像處理：NASA/CXC/SAO/L.弗拉塔雷 & K.阿肯德
但是大約二十年前，當我們開始藉助諸如斯隆數字巡天等任務向宇宙更深處和更遙遠的時間回溯時，我們發現了一些非常巨大的黑洞——質量高達太陽的十億倍左右——而當時宇宙只有一到二十億年的歷史。考慮到我們所知的黑洞吞噬物質的速度，根本沒有足夠的時間從第一批爆炸的恆星產生的微小種子生長成這些龐然大物般的黑洞。在接下來的幾年裡，我們開始看到這些不僅僅是一些奇怪的天體；在極早期宇宙中實際上存在著整個超大質量黑洞的種群。那時難題就開始出現了。
一些人開始探索黑洞是否有可能以遠超已知極限的速度吞噬物質。理論上是可能的，但我們尚未看到令人信服的觀測證據。所以我開始想，如果我們直接從更大的種子開始呢？我的團隊和我意識到，如果氣體盤受到來自附近星系恆星的輻射，它就可以繞過恆星形成過程並直接坍縮成黑洞。這種直接坍縮黑洞在誕生時會大得多——是太陽質量的 1,000 到 100,000 倍。然後，那個黑洞可以與附近的星系合併，並輕鬆增長到我們看到的尺寸。
這個提議在科學界反響如何？
我們受到了很多人的反對。他們說：“物理機制很巧妙，也說得通，但是這個過程的效率是否足夠高，以至於實際上會在宇宙中發生呢？” 當時，宇宙的這些時期在觀測上是無法觸及的。為了觀察這些初始種子的形成，我們需要回溯到宇宙形成後的最初十億年。
這就是為什麼 JWST 的前景如此誘人；它激勵我們繼續研究下去。我們開始思考可以尋找哪些跡象來作為直接坍縮黑洞的證據，並且我們想出了一個主意。在附近的星系中，所有恆星的質量通常是中心黑洞質量的 1,000 到 10,000 倍。但是在這些直接坍縮的情況下，在短暫的一段時間內，黑洞的質量實際上可能與恆星的質量相當。這意味著您應該看到一個極其明亮、活躍吞噬物質的黑洞，它基本上蓋過了星系中所有恆星的光芒。如果我們能夠用 X 射線和紅外光觀察其中一個星系，我們就會看到中心超大質量黑洞的獨特特徵。
然而，即使有了 JWST 和錢德拉，我們也無法看得足夠遠，以直接目睹早期黑洞種子的形成。但我意識到，如果大自然對我們仁慈，那麼這些星系中的一個可能隱藏在放大鏡後面：一個富含暗物質的星系團，它充當著戲劇性的引力透鏡。我一直在使用哈勃太空望遠鏡繪製其中一些引力透鏡的地圖，我建議我們將我們的新望遠鏡對準這個名為阿貝爾 2744 的非常複雜的星系團。我對那張暗物質地圖的每一部分都瞭如指掌。我抱有希望，但這真是一次冒險。
結果如何呢？
瞧，去年年初，我接到了同事、天體物理學家阿科斯·博格丹的電話，他看到了錢德拉對阿貝爾 2744 透鏡背後星系的觀測結果。他說：“你坐好了嗎？我想我們發現了什麼。” 非常巧合的是，一個星系的光譜與我們在 2017 年對假設探測所做的預測圖譜驚人地吻合。這太令人震驚了。它符合每一個預測的屬性。這是非常令人信服的證據，表明直接坍縮黑洞確實在早期宇宙中形成。這不再僅僅是猜測。
現在，可能仍然有其他形成黑洞種子的方法。這就是我接下來要研究的：嘗試揭示其他途徑以及它們獨特的觀測特徵可能是什麼。這打開了一個充滿令人興奮的問題的潘多拉魔盒。
我可以想象。最終在自然界中找到您想法的證據是什麼感覺？
這正是我覺得作為一名天體物理學家如此激動人心的地方——我希望理論思想能夠與觀測資料相印證。我們正處在歷史上的一個奇妙時刻，您可以做出預測，並且在您的一生中，它可以得到驗證或證偽。這正是人們說我們生活在宇宙學黃金時代的原因。我對此深懷感激。