作为第一个被发现红移大于7的类星体，ULASJ+位于宇宙年龄仅7.7亿年处，它所包含的超大质量黑洞（见艺术概念图）质量高达太阳的20亿倍，很难解释它是如何快速形成的。（M.Kornmesser）
第一代超大质量黑洞是个未解之谜：它们实在长得太快，也太大了。
年，天文学家在极早期宇宙中发现了超大质量黑洞。包含近10亿个太阳质量，这些黑洞会被由下落物质组成的盘所围绕，发出极其明亮的光芒，即便在非常遥远的距离上也能被看到。
在宇宙年龄仅7亿年时，也就是宇宙年龄仅为当前值的5%时，超大质量黑洞就业已存在。如果相比于人类，那时的宇宙才差不多是一个刚会走路的小孩。引力将开始执掌气体云和暗物质，此后它们会演化成旋涡星系和椭圆星系。恒星正开始诞生，但它们的数量远远不及今天。
根据黑洞形成和生长的传统观点，此时的宇宙尚太年轻，没有足够的时间能让黑洞长到10亿个太阳质量。由此可以得出结论，极早期宇宙中的这些超大质量黑洞就不应该存在。但事实却恰恰相反，这也成为了天文学家迄今没有解开的谜题。
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高红移类星体
1
得益于超大质量黑洞吸积物质所产生的能量和辐射，类星体极其的明亮。20世纪90年代，使用地面和空间望远镜，发现极为遥远的类星体是由10亿多个太阳质量的黑洞所驱动的。到21世纪最初10年，在大爆炸之后10～20亿年的地方发现类星体已司空见惯。但为了解释为什么在如此早的宇宙时期就能形成这么大质量的黑洞，天文学家开始犯难。
对于类星体和其他存在于好几十亿年前的天体，用光年来表示它们的距离已极为不便。从它们所处的过去到现在，宇宙经历了长时间的膨胀过程，因此改用红移来描述这些天体。红移表征了因宇宙膨胀使得天体所发出光线波长被拉伸增大的程度。
多年来，天文学家已经发现了红移高达6的类星体，当时的宇宙年龄约9亿年。此外，甚至还发现了数个红移约为7的类星体，对应的宇宙年龄约为7.35亿年。但年末，宣布发现了一个破纪录的类星体，红移达7.54。它被称为J+，简称为J，该类星体位于牧夫座，处于宇宙年龄仅6.9亿年处，其释放出的能量与40万亿个太阳相当。
通过挖掘地面和空间巡天数据，天文学家发现了J。位于智利的6.5米麦哲伦望远镜测定了这个类星体的红移，使用夏威夷的8米北双子望远镜估计其黑洞质量约为8亿个太阳质量。
图1根据斯隆数字巡天和英国红外望远镜红外深空巡天的数据制作出遥远类星体ULASJ+的照片。它在图中是一个靠近中心的暗弱红点。对于超大质量黑洞生长的理论来说，一个黑洞要想在6.9亿年里长到这么大的质量是一个巨大的挑战。这一发现表明，在早期宇宙中必定存在某些过程造就了这个超大质量黑洞。那么，是什么过程呢？
就在天文学家为解释红移为6和7的类星体绞尽脑汁犯难之时，一个红移大于7.5的超大质量黑洞却被悄然发现。事实上，这一发现并非个案。年6月，又发现了第二个红移大于7.5的类星体。被称为J+，该类星体的红移达到了7.。位于宇宙年龄不到7亿年处，其中央黑洞引擎的质量高达15亿个太阳质量。
未来天文学家也许会发现更多红移超过7.5的类星体。不过也许不会有很多。类星体的密度会随着红移的增大而快速减小。如果红移大于7.5的类星体普遍存在的话，那目前就应该已发现更多的案例了。但它们的空间密度，即给定体积中的类星体个数，似乎非常低，每立方10亿秒差距中仅存在1个。10亿秒差距等于32.6亿光年。由于在宇宙中本身就极为罕见，因此寻找它们必须要搜寻巨大的天区。为此还要开发专门的软件来提高发现高红移类星体的效率。
这让天文学家多少喘了口气。高红移类星体的相对稀缺性意味着，能令其形成的条件并不普遍。换句话说，只有在极端不同寻常的条件下，才会形成可供类星体高速生长的“种子”。为了解释观测到的数十亿个太阳质量的高红移类星体，所需的种子其实并不多。
即便如此，仍然是说起来容易、做起来难。
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细水长流
2
根据标准宇宙学模型，即含宇宙学常数的冷暗物质模型，宇宙诞生于亿年前的大爆炸。起初，宇宙基本上就是一团近乎没有任何特征的亚原子粒子和暗物质，前者的质量只有后者的约1/6。这些物质基本上呈均匀分布，因此无法聚集成团形成结构。
随着时间的流失，宇宙的温度不断下降，使得亚原子粒子能组合形成氢和氦原子核，以及痕量的更重的元素。在宇宙诞生38万年后，其温度进一步降低，电子与氢和氦原子核结合，形成中性原子。这使得光子可以在宇宙中自由穿行，由此产生了宇宙微波背景。
对宇宙微波背景的高分辨率测量显示，那时的宇宙极其、但并非完全均匀。这些物质密度中的微小不均匀性最终使得引力开始发挥作用。始于大爆炸之后约2亿年，暗物质和气体密度稍高的区域坍缩形成了第一代恒星和原星系。但宇宙的这一时期目前仍无法被观测到。为了对其进行研究，天文学家进行了尖端的计算机模拟，以此来了解原初氢气和氦气星云发生引力坍缩时会发生什么现象。根据计算，这些星云会碎裂成多个团块，后者会形成质量高达个太阳质量的恒星。这些恒星能发出比太阳强数百万倍的光芒，但寿命却非常短暂，仅几百万年。它们会以壮观超新星爆发的形式死去，其核心则会坍缩成～个太阳质量的黑洞。
图2质量最大的恒星可以在不发生超新星爆炸的情况下直接坍缩成黑洞。哈勃空间望远镜的照片显示，一颗25个太阳质量的恒星（左图）就这么凭空“消失“了（右图），这很可能是它直接坍缩成了黑洞。（C.Kochanek）这些黑洞随即会开始进食周围的物质，偶尔还会吞下整颗恒星。它们甚至还会和另一个质量达成百或数千个太阳质量的黑洞发生并合。但是，即便是最狼吞虎咽的黑洞也无法在5亿年的时间里吃下10亿个太阳质量的物质。
这是因为，当物质在黑洞周围聚集时，会形成一个吸积盘。盘中的物质会以接近光速的速度绕黑洞转动，它们会被加热并在多个波长上发出大量的辐射。这些强烈的辐射会对附近的物质施加向外的压强，阻碍后者落向黑洞，进而限制了黑洞进食物质的速度。一个天体吸积率的理论上限被称为爱丁顿极限，以英国天文学家阿瑟·爱丁顿（ArthurEddington）命名。
就算黑洞可以以比爱丁顿极限还快的速度吸积物质，这会产生强劲的物质风和外流，驱散下落的物质，抑制黑洞的进一步生长。换句话说，如果超爱丁顿吸积确实发生了，那么它们所持续的时间也十分短暂，为黑洞生长的速度划定了另一个极限。
由于存在这些天然的限制，一个质量在～个太阳质量的黑洞要想在几亿年之内生长成拥有数十亿个太阳质量的超大质量黑洞会是一个极难解释的现象。为此，需要寻找初始质量大得多的黑洞种子。但它们该如何形成呢？
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3
直接坍缩
十多年前提出的一个理论为此提供了潜在的解答。6～7年，有一系列工作研究了早期宇宙中的原初稠密气体云（也就是原星系）是如何坍缩形成质量在0～000个太阳质量的种子黑洞的。通常，这些星云在坍缩的过程中会碎裂，形成一批大质量恒星，而非一个黑洞。但在罕见的特定条件下，一些星云会坍缩形成质量非常大的黑洞。
这里的关键就在于气体云的温度有多低。早期宇宙中的大多数星云都含有高浓度的氢分子，后者由两个氢原子结合而成。这样的星云会快速冷却，碎裂成许多团块，每一个团块则会进一步形成一颗恒星。
但如果有一小片原初星云十分靠近一个大得多且正在产星的原星系，恒星所发出的紫外辐射会不停地照射该星云。如此汹涌的能量注入会破坏氢分子的化学键，把这个原先的氢分子云转变成近乎纯的氢原子云，其向外辐射能量的效率就会降低。这团气体会保持高温，不会碎裂成团块。相反，它会在没有冷却的情况下发生引力坍缩，最终在一个极小的体积内聚集大量的物质，直接坍缩成黑洞。虽然这一过程会形成一颗寿命非常短的超大质量恒星，但它绕开了传统的恒星形成过程。
图3红移为6.6，遥远的星系CR7（见艺术概念图）在大爆炸后仅8亿年就开始闪耀星光。在它附近有一团明亮而没有恒星的气体，后者很有可能会直接坍缩成黑洞。（M.Kornmesser）
计算机模拟显示，直接坍缩而成的黑洞其质量可高达万个太阳质量。这样的一个大质量黑洞会快速与近邻的星系并合，在那里它会以极高的速度进食气体和恒星。最初提出这一理论模型是为了解释在红移较低的宇宙中质量超过10亿个太阳质量的超大质量黑洞。但是，通过在短时间内生长成类星体的大质量种子，这个理论也为红移为7.5的类星体提供了一个很有可能的解释。
直接坍缩形成黑洞的“特殊条件”可以概括为：在到一个大型产星星系合适的距离上，存在一个由氢气和氦气组成的小型原初星云。这同时也解释了高红移类星体的稀缺性。要想直接坍缩形成黑洞，所需的条件实则是很苛刻的。在早期宇宙中，即便存在这样的条件，也是十分罕见。幸运的是，观测到的高红移超大质量黑洞也非常罕见，因此这个理论至少目前可以解释看到的现象。
虽然在计算机模拟中直接坍缩形成黑洞是奏效的，但在宇宙中是否真的会由此形成黑洞？
图4超级计算机模拟显示，在宇宙早期气体可以沿着暗物质编织的宇宙网流入高密度区，在那里它们有可能会直接坍缩成黑洞。（AaronSmith）
也许很快就会见分晓。在不久的未来，就可以直接检验这一理论模型。就算是驱动类星体的超大质量黑洞，它的质量也仅仅是其宿主星系的百分之几。然而，直接坍缩所形成黑洞的质量是其小型宿主星系中恒星总质量的近50倍，由此形成了一种另类的天体，被称为过大黑洞星系。作为比较，在近域宇宙里，星系中心的超大质量黑洞其质量通常仅为所在宿主星系恒星总质量的千分之一。过大黑洞星系中的“过大”一词就来源于此。在红外波段，它会相对较为明亮，具有与众不同的光谱。因此，不会把它们和其他类型的特殊星系和天体相混淆。
计划于年底发射的詹姆斯·韦布空间望远镜应该可以探测到红移为9～12由直接坍缩而形成的黑洞，上述红移值对应宇宙年龄分别为5.26亿年和3.54亿年。是否能探测到这些天体，将会对这一模型做出检验。如果在红移为9的地方，超大质量黑洞形成于更小的种子，那就会因太过暗弱而无法被韦布望远镜探测到。因此，如果韦布望远镜看到了任何红移在9～12的类星体，那它必定会是一个由直接坍缩而形成的黑洞。
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4
多次并合
关于如何形成超大质量黑洞的种子，研究人员也提出了其他的想法。年初，有研究从数学上证明，在一个年轻星系中，由大质量恒星形成的大量单个黑洞可以并合形成一个超大质量黑洞的种子。
大质量恒星先经历自身的演化，形成许多质量较小的黑洞。然后，当这些黑洞在其宿主星系内的稠密气体中运动时，会产生动力学摩擦或阻尼，导致它们快速地向星系中心迁移。最终，在星系中心，它们会并合形成一个质量在00～000个太阳质量的黑洞。这一过程推进得极快，只要5千万年到1亿年的时间。之后，中央黑洞就会快速生长。根据这个理论，在大爆炸之后8亿年，超大质量黑洞就能遍布宇宙。
激光干涉引力波天文台和未来的激光干涉空间天线应该可以探测到这些黑洞经历的远古并合事件所发出的引力波。图5遥远类星体J+很有可能是由一个00倍于太阳质量的黑洞种子（见艺术概念图）生长而来的，在它周围存在着一个吸积盘（橙黄色）和一团气体（蓝色）。（P.Marenfeld）————
超越爱丁顿极限
5
为了解决超大质量黑洞的生长问题，还有一条途径。如果早期宇宙中的一些黑洞能在相当长的一段时间内以超过爱丁顿极限的速率吸积物质会怎么样？此时，一个数百倍于太阳质量的黑洞可以相对较快地成长为一个十亿倍于太阳质量的黑洞。
最近所进行的天文观测表明，这也许真的是可能的。使用麦哲伦和双子望远镜，通过观测数个红移为7的类星体辐射是如何电离星系际气体的，天文学家测量了它们所发出的辐射量。
结果显示，黑洞生长的标准理论也许不适用于这些类星体。虽然它们正在进食大量的物质，但所发出的辐射却没有预想的那么多。它们成长得太快了，由此引发的已不再仅仅是黑洞生长问题。
模拟黑洞吸积物质的过程一直是个难题。其中涉及的物理学规律极其复杂，对于超大质量黑洞的情况尤其突出。但有一件事情是清楚的：是否存在磁场以及它们在黑洞周围的构型对于控制吸积率起到了关键作用。
因此，当物质盘旋着落向黑洞时，磁场决定了物质发出辐射的效率。扭曲的磁场会破坏吸积流，使其升温并发出强劲的辐射，抑制物质的下落。但是，如果磁场沿着笔直的路径穿过吸积盘，模拟显示它可以以比爱丁顿极限更高的吸积率把物质送入黑洞。
无论是直接坍缩还是超爱丁顿吸积，如果它们中至少有一个是可行的，就无需对标准宇宙学模型进行修补。在早期宇宙中，这两种机制也许都在发挥作用。天文学家对詹姆斯·韦布空间望远镜充满了期待。一旦发射，它可以对大量的高红移类星体进行测量，确定它们的能量输出与其吸积率之间的关系。
各种各样的想法和观点有助于了解大自然可能的运转方式，但要想更加深入地认识超大质量黑洞的形成，就必须要开展实际的观测和测量。
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本文图片来源：
ESO，ESO/UKIDSS/SDSS，NASA/ESA/OSU，TACC/UT-AUSTIN，InternationalGeminiObservatory/NOIRLAB/NSF/AURA
责任编辑张长喜
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本文编辑：佚名
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