2022 年夏天，当詹姆斯·韦伯太空望远镜传回其首批深空图像时，它揭示了一个令人意想不到的景象：早期宇宙中充满了巨大的、明亮的星系——拥有惊人的恒星数量——这远早于任何类似的天体应该存在的时间。
在该宇宙演化的早期阶段，即大爆炸后不到十亿年，研究人员认为，这些恒星根本没有时间长得如此巨大。正如奥地利科技研究所的天体物理学家 Jorryt Matthee 在最近的新闻稿中所说：“这就像看到一个两米高的五岁孩子。有些事情对不上。”
这一发现促使科学家们寻找一种解释这些过早形成的星系的方法——这些星系乍一看与天文学家对宇宙如何发展成现在状态的了解似乎不符。
黑洞：宇宙毁灭者还是恒星工厂？
一个可能的答案来自约翰斯·霍普金斯大学和索邦大学的天体物理学家 Joseph Silk 领导的一项2024 年研究。他注意到，这些星系除了亮度惊人之外，大多数星系中心还有一个巨大的黑洞。
Silk 不认为这是巧合。他认为，这些贪婪的巨兽，以其毁灭能力而闻名，实际上可能负责加速新恒星的诞生。“（它们）是我们用来理解这种现象的缺失催化剂，否则这种现象是完全离奇的，”他说。“我们只是将两个谜团联系起来，从而得到了一个解决方案。”
尽管我们想象黑洞会不可挽回地吞噬周围的一切——根据定义，它们是引力如此之大以至于没有任何东西能逃脱其掌控的区域——但它们实际上会吐出一部分食物，这就是所谓的活动星系核（AGN）反馈。
其工作原理如下：当物质围绕黑洞旋转时，它会形成一个类似于土星环的吸积盘。这个快速旋转的盘会加热，并以巨大的能量释放，喷射出电离粒子和极其热的气体流。“星系被夹在中间，”Silk 说。“它被这些外流所挤压。”
这个过程并不总是像听起来那样具有破坏性。他和他的同事认为，这些外流实际上是“早期星系的种子”，它们延伸到周围数百光年的范围，将无定形的星云搅动成恒星。如果他们是对的，那么这些明亮星系的存在就一点也不奇怪了；有了作为恒星形成放大器的黑洞，它们正是你期望看到的。
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先有黑洞还是先有星系？
如果这张图中有什么不对劲，那可能是因为它违背了关于黑洞形成的长期以来存在的说法，该说法大致如下：当大爆炸的剧烈混乱开始平息时，基本粒子聚集成原子，原子又组合成气体云，气体云又凝聚成恒星，其中一些恒星坍缩成黑洞。
换句话说，黑洞应该是超大质量恒星的后代，而不是反过来。Silk 的理论颠覆了这种说法，认为黑洞先出现。我们正在处理一个宇宙规模的鸡生蛋还是蛋生鸡的问题。
目前尚不清楚它们是如何形成的，如果不是通过传统途径的话。一些专家推测，巨大的气体云可能直接坍缩形成了黑洞，跳过了（通常漫长的）恒星阶段，或者根本就绕过了它。另一些人认为它们可能是“原初黑洞”，即宇宙诞生后最初几秒钟内致密空间区域坍缩形成的假设天体。（这些也被提议作为难以捉摸的暗物质的候选者）。
这些将是 JWST 意外观测的简洁的解决方案，但目前它们仅仅是猜测。可能需要新一代的干涉仪——一种可以探测黑洞形成产生的引力波的设备——来解决这个问题。“这将最终将拼图的碎片拼凑起来，并决定，是黑洞先存在，还是它们是由（已知的）天体物理过程更自然形成的？”Silk 说。“这是个大问题。”
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宇宙趋于平静
无论那个遥远的时代发生了什么，快速恒星形成的时代早已过去。它似乎只持续了大约大爆炸后 5 亿年到 30 亿年。“那时所有的烟火都在上演，”Silk 说。“在那之后，事情就平静下来了。”
随着星系的膨胀，每个星系内部的距离越来越远，制造恒星所需的原材料也越来越分散，以至于连那些活跃的黑洞外流也无法再制造出任何东西。尽管现在在附近（即最近）的空间区域仍会出现强烈的恒星活动爆发，但总的来说，宇宙已经趋于平静。
在现代宇宙相对平静的环境中，我们需要弄清楚 JWST 的这些图像对我们理解星系形成意味着什么。科学家们已经知道黑洞是星系演化的关键驱动力，但 Silk 的研究表明，它们的影响比以前认为的更大，而且持续时间更长。
“还有很多工作要做，”他说，“但差距正在被填补。”
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文章来源
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美国科学促进会。婴儿类星体：成长中的超大质量黑洞
Joseph Silk。约翰斯·霍普金斯大学和索邦大学的天体物理学家
《天体物理学杂志通讯》。先有超大质量黑洞还是先有星系？来自 JWST 的启示
空间科学前沿。AGN 反馈的多种途径
Britannica。吸积盘
空间科学评论。第一批恒星和黑洞的形成
NASA。黑洞类型
Phys. Rev. D.原初黑洞作为暗物质
激光干涉引力波天文台。什么是干涉仪？
