超大質量黑洞——質量是恆星數百萬到數十億倍的天體——是現代天體物理學最深奧的謎團之一。它們潛伏在大多數大型星系的中心，包括我們自己的銀河系。鑑於它們的普遍存在，這些黑洞可能在宇宙的形成和演化中發揮著至關重要的作用。但是，它們是如何變得如此巨大的長期以來一直困擾著世界各地的理論家。
最合理的推測——這些龐然大物只能透過在數十億年內吞噬大量的氣體才能變得如此巨大——現在已知是錯誤的。最近的觀測表明，在大爆炸後僅8億年，就存在質量是太陽數十億倍的黑洞。因此，謎題來了：它們是如何如此迅速地到達那裡的？大多數天體物理學家都認為，超大質量黑洞一定源於較小的“種子”黑洞。他們只是對這種種子必須有多小存在分歧。一種思想流派認為，種子黑洞應該很大——是太陽質量的數千到數萬倍；另一種觀點認為，種子可能很小——不超過太陽質量的100倍。
雙方陣營都必須應對黑洞是“挑食者”這一事實：引力只能將如此多的氣體塞進“嘴裡”，然後物質開始在其周圍堆積，形成發出強烈輻射的熾熱圓盤，並將額外的入射氣體推開，從而有效地切斷食物供應。這被稱為愛丁頓極限，人們認為這會嚴重阻礙任何黑洞吞噬物質和生長的速度。使用小種子模型的優勢在於，這樣輕量級的黑洞相對容易製造；缺點是，為了快速成長為超大質量黑洞，它們必須將愛丁頓“極限”視為更像是一種建議，並依賴各種潛在的例外來規避其約束。相比之下，大種子模型尊重這一極限，它們讓正在生長的超大質量黑洞在達到極限之前有巨大的先發優勢來吞噬更多氣體——但它們更大的種子也相應地更難製造。可能坍縮形成大種子的巨大氣體雲也可能分裂成更小的團塊，形成星團而不是大型黑洞。
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無論是倡導大種子還是小種子，“已經有很多理論試圖解釋超大質量黑洞的存在或形成，但沒有一個理論可以給出自然的解決方案，”東京大學的天體物理學家吉田直樹說。吉田直樹是大種子的支持者，也是週四在《科學》雜誌上發表的一項新研究的合著者，該研究提出了它們是如何形成的，以及如何產生了早期宇宙中令人驚訝的超大質量黑洞群體。他的“自然解決方案”呼叫了在大爆炸後流經宇宙的高速氣體流，作為關鍵的催化劑。具體來說，它基於快速移動的氣體和暗物質——這種神秘的隱形物質似乎充當了星系的引力粘合劑——之間假定的相互作用。
黑洞的成長
吉田直樹與他在奧斯汀的德克薩斯大學和德國蒂賓根大學的合作者一起，透過向程式輸入宇宙學引數（例如暗物質的密度，天文學家已根據早期宇宙組成的測量結果計算出該密度），使用計算機模擬來重現早期宇宙的條件。“我們試圖儘可能接近真實觀測地重現這種初始狀態，”吉田說，“我們讓那個宇宙隨著時間推移而演化。”
根據該小組的模擬，在宇宙的某些區域，來自暗物質的引力會捕獲大爆炸遺留下來的快速移動的原始氫和氦氣流。研究人員最近發現，在大爆炸之後，這些早期氣體在某些區域加速到驚人的速度——或者像吉田所說的那樣，“非常快的風”。“你可以想象，捕獲快速移動的氣體是非常困難的，”吉田說。他以將手放在消防水帶噴出的水柱前為例，你的手臂會被衝力向後擺動。“阻止這種強風的唯一方法是產生足夠強的引力，”他說。研究人員計算出，在早期宇宙每30億光年的範圍內，都存在足夠大的暗物質團塊，其引力足以吸入並捕獲這種風——就像有足夠的力量將水柱向相反的方向推回去一樣。氣體和暗物質之間的這種吸引力形成了一個巨大的氣體雲，並阻止了小恆星在此過程中形成。
這個模擬的氣體雲隨後坍縮成一顆大質量恆星，該恆星繼續吞噬更多氣體，直到其質量達到太陽的34,000倍。這種異常的假想大質量恆星只有在完全由氫和氦構成的情況下才能達到如此大的量級——氫和氦是在早期宇宙中任何恆星經歷超新星爆炸產生碳、氮和氧等更重元素之前就存在的兩種元素氣體。大質量恆星的想法之前就有人提出過，但這是首次有研究小組對其進行模擬。“我們的計算機模擬真正表明，這種現象確實會發生，並且這種怪獸般的恆星實際上可以形成，”吉田說。達到如此巨大的質量後，這顆恆星最終坍縮，超大質量黑洞的種子就誕生了。“我們並沒有真正尋找一個完美的解決方案；[它] 是自然而然的結果，”他說。“這就是為什麼我認為這確實是最終的解決方案，至少對於[超大質量黑洞]起源的問題而言是這樣。” 然而，並非所有人都同意。
答案不錯，但是…
其他支援大種子假說的科學家對這些種子最初是如何形成的有著不同的看法。《自然-天文學》雜誌最近發表的一項研究，例如，提出這種種子的形成不是透過暗物質的模糊運動，而是透過星系中普通恆星的行為。在這種情景中，附近年輕星系中劇烈的恆星形成產生的強烈紫外線爆發可能會阻止巨型氣體雲中恆星的形成，使其能夠保持完整足夠長的時間，從而直接坍縮成質量高達10萬個太陽的黑洞。
佐治亞理工學院的天體物理學家、《自然-天文學》研究報告的合著者約翰·懷斯認為，這項新工作是該領域向前邁出的重要一步，因為吉田和他的同事們是第一個模擬這些早期氣體運動對超大質量黑洞形成的影響的人。但他表示，這並不排除他自己的理論。“我認為形成這些超大質量黑洞有多種途徑，”他說。“這條[途徑]只是另一種，我認為這完全有可能。” 然而，他確實指出，在早期宇宙中找到如此快速移動的氣體是很罕見的。“這些速度確實會波動[取決於]你在宇宙中的位置，所以這種情況實際發生的可能性仍然很低。” 根據吉田的說法，在早期宇宙中遇到如此快速移動的風的機率只有0.3%。相反，他和他的同事指出，直接毗鄰年輕的恆星製造星系的巨型氣體雲似乎也很少見。“這種事件發生的淨機率確實不確定，”吉田說。
哥倫比亞大學的天體物理學家、《自然-天文學》論文的資深作者格雷格·布萊恩讚揚了這些新發現。“這不是一個明確的答案，但就研究黑洞形成的這種特定模式而言，這是迄今為止最好的，”他說。然而，他有點擔心他們的模擬與形成較小星團有多麼接近。為了形成黑洞，大量早期氣體需要聚集在一個非常小的區域，如果它們分散形成一群恆星，這種情況就不會發生。他說，如果模擬中的條件發生細微變化，就不會形成巨大的種子。“另一方面，儘管我對任何模型都表示信任，但我更信任他們的模型，”布萊恩補充道。
亞利桑那大學的天體物理學家富爾維奧·梅利亞對這一理論並不那麼狂熱。“就像所有其他關於形成大種子或讓這些物體以非常高的速度生長的提議一樣，[作者]必須依賴許多未知的物理學，”他說。“他們必須對暗物質的行為方式做出具體的假設，但我們[甚至]不知道它是什麼。”
消除疑慮的種子
為了明確回答這些巨獸是如何產生的這個問題，這些科學家都指出，未來有可能使用先進的下一代望遠鏡觀察早期宇宙中的“種子”。這種可能性可能並不遙遠。有幾項計劃，例如歐洲航天局提議的ATHENA任務，該任務計劃於2028年發射，旨在探測這些超大質量巨頭的X射線輻射。美國宇航局即將發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於明年發射，它也可能透過對宇宙中第一批恆星和星系的研究提供見解。
“令人興奮的是，在未來幾年內，有一種方法可以檢驗這些想法，因為人們將走出實驗室，對整個天空進行徹底的搜尋，以尋找這些物體，”梅利亞說。至於為什麼會有如此多的討論，他補充道：“人們提出的東西與我們所瞭解的[宇宙中]離我們更近的部分有所不同。”