黑洞终于赢得了一些尊重。在长期将它们视为毁灭的代理人或将其视为星系和恒星的副产品之后，科学家们正在重新调整他们的思维。现在看来，黑洞的出现具有建设性作用，并且在大爆炸之后出乎意料地很快出现。“几年前，没有人想到早期宇宙中有如此多的巨兽，”宾夕法尼亚州立大学天体物理学家李岳星说。“现在我们看到黑洞在创造宇宙的现代结构中至关重要。”
黑洞，即引力如此之强以至于连光都无法逃逸的扭曲空间区域，并非一直备受瞩目。它们曾经被认为非常罕见；事实上，阿尔伯特·爱因斯坦根本不相信它们的存在。然而，在过去几十年里，天文学家们认识到黑洞并非不常见：数百万甚至数十亿倍于太阳质量的超大质量黑洞似乎存在于大多数，甚至所有星系的中心。尽管如此，许多人在 2003 年感到震惊，当时一项详细的天空调查发现，早在近 130 亿年前，当宇宙还不到 10 亿年历史时，巨大的黑洞就已经很普遍了。从那时起，研究人员一直在试图弄清楚这些原始黑洞的来源以及它们如何影响了随后发生的宇宙事件。
今年 8 月，斯坦福大学卡夫利粒子天体物理学与宇宙学研究所的研究人员对早期宇宙进行了超级计算机模拟，并对第一个黑洞的生命提供了一个诱人的景象。故事始于大爆炸后 2 亿年，当时宇宙的第一颗恒星形成。这些质量约为太阳 100 倍的巨兽，如此巨大且充满能量，它们在短短数百万年内就烧尽了所有氢燃料。由于氢聚变产生的能量无法抵消它们巨大的引力向内的拉力，这些恒星坍缩，直到它们的所有质量被压缩成一个密度无限的点。
与我们今天在星系中心看到的巨兽相比，第一代黑洞很小。它们起初只缓慢增长——在接下来的 2 亿年里只增加了 1% 的质量——因为产生它们的活跃恒星已经将它们可能吞噬的大部分附近气体炸散。尽管如此，这些中等大小的黑洞通过执行一种恒星生育控制形式留下了深刻的印记：落入黑洞的物质产生的辐射将周围的气体云加热到约 5,000 华氏度，如此高温使得气体不再容易聚集。“在那样的物质中，你很难形成恒星，”卡夫利研究的主要作者 Marcelo Alvarez 说。
尽管 Alvarez 的计算机模型提供了对宇宙婴儿时期的一瞥，但它也引发了对接下来发生的事情的困惑。2007 年，科学家们发现了一个重达 10 亿倍太阳质量的黑洞，它存在于大爆炸后约 8.4 亿年，这是迄今为止观测到的最早、最远的黑洞。（黑洞本身是不可见的，但天文学家通过寻找围绕它们旋转并即将被吸入的炽热气体来探测它们。）去年 9 月，另一个研究团队宣布，他们发现了一个围绕该黑洞的、正在形成恒星的大型星系。这些发现至少可以说是令人费解的。大爆炸后约 4 亿年，宇宙仍然由零散的恒星和小型、饥饿的黑洞组成。不到 5 亿年后，它就充满了巨大的黑洞，这些黑洞嵌入在广阔的星系中。事情是如何如此迅速地变化的？
宾夕法尼亚州立大学的李正在努力找出答案。Alvarez 的模拟主要关注单个恒星和黑洞，而李则研究这些天体之间的相互作用以及它们对早期宇宙大尺度结构的影响。她的研究表明，第一个黑洞被数十万倍于其质量的致密、看不见的物质晕包裹着。它们共同构成了原星系，这是当今星系的构成单元。在原星系之间频繁、剧烈的碰撞期间，它们内部的黑洞通过相互合并并吞噬新的气体和尘埃供应，经历了快速的增长期。一个 100 倍太阳质量的黑洞在 8 亿年内膨胀到 10 亿倍太阳质量，而在特别致密区域，这种增长可能发生得更快。李的模型显示，在这个动态时期，黑洞突然变得对恒星更加友好。合并的原星系发出了冲击波，压缩了致密的气体团块，帮助在先前由黑洞辐射主导的区域触发了广泛的恒星诞生。在极短的时间内，黑洞从轻量级的欺凌者转变为恒星繁殖星系的超大质量中心。
已知最遥远的黑洞，距离我们近 130 亿光年，是这张假彩色图像中央的白点。| Tomotsugu Goto/夏威夷大学
尽管这个模拟对这个形成时期提供了全面的描述，但李承认她的模型仍然只是模型；它们无法与直接观测相提并论。因此，在她和其他理论家完善计算的同时，其他天文学家正在使用强大的望远镜来回溯更远的时间，寻找目前仅从计算机模拟中为人所知的物体。“有积极的搜寻第一个超大质量黑洞的活动，”李说。“我们可能还没有找到最早的那些。”她说，如果这些巨型黑洞最早出现在宇宙诞生后仅 5 亿年，她也不会感到惊讶。
最近翻新的哈勃空间望远镜将有助于这项搜索。今年 4 月，李在宾夕法尼亚州立大学的一位同事发现了一颗恒星爆发的能量，这颗恒星可能在宇宙仅 6.3 亿年前坍缩形成黑洞的过程中爆炸。哈勃的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜，将在 2014 年发射后深入探索更远的宇宙。
不久，天文学家将能够直接观测到那个不可思议的时代，当时黑洞是宇宙中最重要的天体之一，帮助为大爆炸的无形状态带来秩序。“在理论和观测天文学中，”李说，“这是宇宙的前沿。”
