突破理论极限？惊见太阳质量十亿倍的巨大黑洞

一个迅速增长且巨大的黑洞，打破科学家过往的认知。（图片来源：Adobe Stock）

宇宙早期的黑洞如何在短时间内成长为超大质量天体，一直是天文学界的重要谜题。一项由NASA的钱德拉X射线天文台提供的观测资料，让科学家发现一个可能正在以极端速度增长的黑洞，这项发现可能有助于解释宇宙诞生早期就出现巨大黑洞的原因。

来自宇宙早期的巨大黑洞

研究团队观测到一个黑洞与名为RACS J0320-35的类星体有关，这个黑洞距离地球约128亿光年，人类看到它的样貌时，宇宙年龄仅约9.2亿年。科学家预估它的质量已达太阳的十亿倍。更令人惊讶的是，这个天体释放的X射线亮度，比目前在宇宙最初十亿年间观测到的其他黑洞都更加强烈。

类星体是宇宙中最明亮的天体之一，光度甚至可能超过整个星系。这种惊人的能量来源，正是大量物质在黑洞周围形成吸积盘，并且持续落入黑洞的过程。

成长速度可能突破理论极限

在2023年透过钱德拉望远镜的X射线观测时，科学家注意到它的异常之处。研究显示，这个黑洞的成长速度似乎超越了天文学理论中的一个重要界限“爱丁顿极限”。

一般而言，当物质大量落入黑洞时，吸积过程会产生强烈辐射。这些辐射向外施加压力，当压力与黑洞的引力达到平衡时，物质落入的速度就难以再提升，这个临界值就是爱丁顿极限。然而，研究模型显示，RACS J0320-35的黑洞可能以约2.4倍爱丁顿极限的速度成长，每年增加的质量相当于300到3000个太阳。

黑洞诞生方式可能有两种

这项结果也引出了另一个问题：这个黑洞最初是如何形成的？科学家提出两种可能：

第一种情况是黑洞一开始就拥有非常巨大的质量，相当于一万个太阳。这种情形可能来自一团几乎不含重元素的巨大气体云直接坍缩而成，但这种过程被认为相当罕见。

另一种可能是它最初只是由一颗大质量恒星崩塌形成的小型黑洞，质量不到太阳的一百倍。若是它之后长时间以超过爱丁顿极限的速度吸积物质，也可能在宇宙早期迅速成长为超大质量黑洞。

透过推算黑洞目前的质量与成长速率，研究人员希望能反推它诞生时的规模，进而检验不同的黑洞形成理论。

接近光速的宇宙喷流

研究指出，像RACS J0320-35这样的类星体，有时会向外喷射接近光速的粒子流，这种现象在类星体中其实并不常见，而快速成长的黑洞可能与喷流的形成存在某种关联。

多座望远镜共同揭开秘密

这颗类星体最早是透过澳洲平方公里阵列探路者进行的射电巡天发现，之后结合多种望远镜与观测设备的资料，包括暗能量相机的光学观测与智利双子座南望远镜的距离测量，最终才确认这个天体的位置与性质。

宇宙中第一代黑洞如何形成，仍是天体物理学最重要的未解之谜之一。透过RACS J0320-35这样的极端天体，科学家得以观察黑洞在宇宙早期可能出现的成长方式。随着更多观测资料累积，研究人员希望能逐步拼凑出宇宙最初黑洞诞生与成长的完整历史，理解这些巨大天体如何在短短数亿年内迅速壮大，成为宇宙中的“重量级巨兽”。