来源：全球科学
类星体J0313-1806的虚像。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/J.作者达席尔瓦|王宇
修订|王(主要指论文作者)
黑洞不仅吸收光线，还吸引天文学家好奇的目光。它一直是天文学上的明星。一般认为，当一颗恒星的质量大于20个太阳质量时，在演化末期会发生超新星爆炸，爆炸残留物是黑洞，只有5个太阳质量左右。在星系中心获得超大质量黑洞最流行的假设是，将这些黑洞视为“种子”，通过吸积和与其他黑洞融合而成长。除了这个理论，最近发现的最远类星体验证了一个全新的黑洞形成理论。
遥远的类星体
现在，我们都知道宇宙在加速膨胀，离我们越远，离我们越远，它们的光由于多普勒效应红移。对于宇宙早期的天体，其红移Z也可以用来表示星系距离——的红移越高，对应的距离就越远。到目前为止，只有三个类星体红移超过7.5，都是同一个团队发现的，其中新发现的J0313-1806是主角。
J0313-1806的红移达到7.642，距离地球130.3亿光年。我们今天看到的光是在BIGBANG之后6.7亿年发出的。它是人类发现的最远的类星体，距离之前的记录保持者2000万光年。
“类星体”这个名字来源于准恒星射电源的缩写。这种天体在20世纪50年代被发现时，是一个类似可见光照片中恒星状态的弱点，被公认为未知的射电源。它们的亮度非常夸张，比银河系这样的普通星系高几千倍。但是类星体发出的光变化很快，从光速有限可以推断类星体不会超过太阳系。也就是说，整个银河系几千倍的能量都集中在太阳系的大小。天文学家自然提出了各种各样的假说，其中最广为接受的理论是类星体是由活动星系核中的超大质量黑洞吸积而成。
我们能在这么远的地方观测到类星体的重要原因是它的高亮度。J0313-1806的光度约为1.41040W，相当于36万亿个太阳。推测其中心有一个质量是太阳16亿倍的黑洞，大约是银河系中心黑洞人马座A*的400倍。这个超大质量黑洞平均每年吸进25个太阳质量的物质。强烈的吸积不仅使它以相对论速度向其星系吹出热等离子风暴，也是它如此明亮的原因之一。
而恰恰是因为在对应遥远距离的宇宙早期发现了这么大质量的黑洞，所以按照传统的黑洞形成模型，这个黑洞可能并没有诞生。
黑洞难题
事实上，天文学家对超大质量黑洞是如何形成的还没有明确的结论。事实上，按照目前最流行的小黑洞吸积合成大黑洞的方式，还有很多问题亟待解决。两个值得注意的问题是中质量黑洞问题和宇宙引力波背景问题。
目前大部分质量已经确定的黑洞可以分为两类，一类是质量小于太阳100倍的恒星黑洞，一类是质量超过太阳100万倍的超大质量黑洞。100倍和100万倍差距巨大。如果超大质量黑洞是恒星黑洞合并形成的，那么我们就找不到中等质量的黑洞。幸运的是，LIGO去年宣布，它在2019年首次发现了一个中等质量的黑洞，这是一个质量是太阳142倍的黑洞，由两个质量分别是太阳85倍和66倍的黑洞合并而成。随着LIGO精度的逐步提高，研究人员可能会发现越来越多的中等质量黑洞，这个问题可能会得到解决。
图片来源：LIGO处女座协作/弗兰克埃拉夫斯基，亚伦盖勒/西北大学另一个问题是宇宙的引力波背景。如果超大质量黑洞被小黑洞一步步合并，那么宇宙中一定充满了黑洞合并产生的引力波，也可能有两个超大质量黑洞合并产生的引力波。许多引力波叠加成一个宇宙尺度的随机引力波背景，会对时空产生一年周期的影响，这可以通过脉冲星的精确周期测量来探测。十几年来脉冲星计时阵列进展甚微。直到最近，北美纳赫兹引力波观测站(NANOGrav)在《天体物理学杂志快报》上发表了一篇论文，表明他们可能发现了一个一年量级的引力波背景。如果证明他们的数据不是错误造成的，就有可能从超大质量黑洞的合并中找到证据。
利用脉冲星计时阵列可以发现超大质量黑洞合并的证据。图片来源：虽然NASA戈达德太空飞行中心超大质量黑洞“大鱼吃小鱼”的形成理论没有获得决定性的证据，但至少看起来可能刚刚取得进展。而且由于精度问题，引力波的探测范围无法覆盖早期宇宙中的原始种子黑洞。即使所有这些进步
非常可靠，对于宇宙早期超大质量黑洞的形成，它们都是无能为力的。但J0313-1806却斩钉截铁地告诉我们，它所包含的黑洞源于不同的过程，而不可能是从小黑洞一步一步合并而来的。
直接形成的黑洞
亚利桑那大学哈勃学者、该研究论文的主要作者王飞格指出：“由第一代大质量恒星形成的黑洞，不可能在几亿年内长到如此大的质量。”
从小质量成长为大质量黑洞是一个非常缓慢的过程，根据他们的计算，就算这个黑洞早在宇宙大爆炸后1亿年就已经形成，那么它至少也需要一个拥有1万个太阳质量的种子黑洞。但是对于极早期的宇宙来说，第一代恒星产生的黑洞质量最大也不会超过几百个太阳质量，所以这个超大质量黑洞不可能是由小质量的种子黑洞长成的。
论文合著者，亚利桑那大学天文系副主任樊晓晖教授表示：“这告诉你无论怎样，这个黑洞的‘种子’必须以不同的机制形成。对于此次的黑洞，需要大量原初的、冷的氢分子气体直接塌缩成一个种子黑洞。”
这是一种于2006年提出的黑洞形成理论。暗物质晕中在宇宙大爆炸核合成时期就形成的原初气体，在引力自束缚的条件下，由于失控的全局动力学不稳定性，快速失去角动量向中心坍塌。压缩导致的高压环境的确会点燃其中的核聚变，但整个系统质量太过庞大，中心温度过高，其散热机制和恒星形成时存在巨大差异。中微子辐射在这一阶段散热非常有效，快速冷却核心，从而导致中心黑洞的形成和快速生长。这种机制不需要以第一代恒星为原料，是唯一一种允许类星体J0313-1806中的黑洞在宇宙早期成长到16亿倍太阳质量的机制。
J0313-1806的质量成长起点已经不可避免的落入了直接坍塌黑洞（direct-collapse black hole，DCBH）的范围 图片来源：Feige Wanget al2021ApJL907L1
虽然直接由原初气体塌缩形成的黑洞和流行的说法并不一致，但王飞格也没有完全否定这种“大鱼吃小鱼”的方式，只是给出了另一种黑洞形成机制的可能。“对于我们近邻宇宙中的超大质量黑洞（比如银河系中心的黑洞），我相信很多是由小质量的黑洞逐渐合并形成的，”王飞格这样表示，“当然我们目前还缺少直接的观测证据。”
除了研究黑洞本身的形成机制外，最远类星体也是研究黑洞如何影响其宿主星系的好机会。类星体会在其宿主星系中产生高速星风，而J0313-1806的星风速度甚至高达20%光速。亚利桑那大学的博士后研究员（Strittmatter学者）杨锦怡说：“如此极端高速的外向流释放的能量足以影响整个类星体宿主星系。”理论认为类星体的外向流会抑制其宿主星系中的恒星形成，而该类星体宿主星系中的恒星形成率仍然很高，高达每年200个太阳质量，而银河系大约只有1个。这其中的缘由值得进一步探索。
可以肯定的是，未来的观测还能为我们揭开更多关于类星体的秘密，特别是计划于今年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）。天文学家也希望未来能对宇宙早期的超大质量黑洞进行更深入的研究，了解更多类星体外向流对其宿主星系的影响，并进一步探索早期宇宙中的大质量星系是如何形成的。
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