類星體是宇宙中最明亮的天體，其中心黑洞瘋狂吞噬周圍物質(zhì)而發(fā)出極強的光芒。通過長期的觀測研究，天文學家確定早期宇宙的類星體中含有超大質(zhì)量黑洞。但這些黑洞是如何在宇宙誕生不久就“成長”為超大質(zhì)量黑洞，一直是一個有爭議的熱門課題。

近日，美國亞利桑那大學史都華天文臺的天文學家發(fā)現(xiàn)了早期宇宙中質(zhì)量最大的類星體，其擁有著一個15億倍太陽質(zhì)量的黑洞，相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在《天體物理學》雜志上。據(jù)悉，這個新發(fā)現(xiàn)的類星體被正式命名為J1007+2115，它是已知距離我們最遠的也是最老的類星體之一。

早期宇宙中的超大質(zhì)量黑洞困擾天文學家

類星體是目前已知宇宙中最活躍的天體之一，也是人類觀測到的最遙遠的天體。“根據(jù)目前的理論，類星體由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動。在黑洞吞噬塵埃、氣體甚至整個恒星等周圍物質(zhì)的過程中，大量的引力能被釋放出來，部分引力能轉(zhuǎn)化為輔射，從而導致類星體的亮度可以超過整個宿主星系。”中國科學院紫金山天文臺教授劉四明表示。

J1007+2115的紅移數(shù)據(jù)顯示，其發(fā)出的光線經(jīng)過130.2億年的“長途跋涉”才最終到達地球。這就意味著，它至少在宇宙大爆炸后7億年前就已存在。

“宇宙一直處于膨脹的過程中，故而距離我們越遠的天體，其形成的時間越早。新發(fā)現(xiàn)類星體的光譜分析，可以用來估計驅(qū)動其發(fā)光的黑洞質(zhì)量。”劉四明介紹道，“由于膨脹宇宙中的光子紅移現(xiàn)象，距離我們越遠的天體，其產(chǎn)生的光子在被我們探測到時波長也越長。遠處天體的輻射功率可以由觀測到的輻射強度和距離得到，輻射功率越大，黑洞的質(zhì)量也越大。”

如此古老且質(zhì)量巨大的類星體，為研究人員提供了一個難得的研究機會，或許能夠解答一個長期困擾天文學家的問題——為何宇宙早期能夠形成超大質(zhì)量黑洞?

對此，曾有天文學家推測，宇宙中那些古老的超大質(zhì)量黑洞可能形成于早期宇宙中的超大質(zhì)量恒星。理論上來說，與黑洞的緩慢“成長”不同，恒星在形成時能以更快地速度獲取質(zhì)量，所以在早期宇宙中大質(zhì)量恒星更容易形成。當這些巨大的恒星坍縮時，便形成了一個古老且質(zhì)量巨大的黑洞。不過，截至目前，天文學家并未在早期宇宙中發(fā)現(xiàn)這樣的超大質(zhì)量恒星，這一理論還有待進一步的驗證。

新發(fā)現(xiàn)或動搖黑洞是恒星死亡產(chǎn)物理論

古老的類星體對研究早期宇宙至關(guān)重要。

根據(jù)目前的宇宙模型，早期的宇宙是一團“高度均勻的火球”，充滿著氫與氦。隨著宇宙不斷膨脹，宇宙的溫度逐漸降低，使得原本的電離氣體變成了中性氣體而失去了發(fā)光的能力，宇宙逐漸冷卻并進入“黑暗時代”。但是這些冷卻的氣體在空間中并不是絕對均勻分布的，氣體較為密集的區(qū)域，最終在引力的作用下坍縮形成了第一代恒星。第一代恒星和星系的出現(xiàn)花了大約3億至4億年的時間，使得宇宙開始逐漸升溫。

可見第一代恒星和星系的形成都是如此“費時費力”。

“目前主流的理論認為，黑洞是在恒星死亡時產(chǎn)生的，而類星體又是由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動的。故而古老類星體的存在可以限制宇宙中第一代恒星的最晚形成時間，并幫助我們了解隨后的黑洞成長過程。”劉四明介紹道，“換句話說，類星體出現(xiàn)得越早，對現(xiàn)有主流宇宙模型以及人們對黑洞產(chǎn)生和生長過程的認識挑戰(zhàn)也越大。”

“出現(xiàn)非常古老而巨大的黑洞可能會動搖目前‘黑洞是恒星死亡產(chǎn)物’的理論。因為從幾十個太陽質(zhì)量的黑洞成長成15億個太陽質(zhì)量的黑洞需要很長的時間。”劉四明解釋道，“這可能會促使我們更新對早期宇宙的認識。”(記者 張 曄)