科學研究 - 東京大學和日本國立天文臺，發現宇宙初期存在超出預想的多個巨大黑洞

東京大學和日本國立天文臺（NAOJ）的一個研究團隊發表研究成果稱，發現宇宙初期銀河中心的巨大黑洞數量是之前推測的50多倍。該研究團隊根據從去年開始觀測的「詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）」在120億～130億光年外狹窄視角中獲得的資料，意外地發現了10個巨大黑洞。研究還表明，巨大黑洞當時存在於各種類型的銀河中，並且迅速成長。該成果是探索巨大黑洞誕生機制的一項重要成果。

本次研究發現的10個巨大黑洞偽色影像。還可以看到從銀河中擴散出的多彩的光（供圖：美國國家航空太空局=NASA、歐洲航太局=ESA、加拿大航太局、播金優一助教）。

黑洞是一種具有極強重力的密度極高的天體。根據廣義相對論，其周圍的空間時間會被扭曲，甚至連光也無法逃逸。它是大質量恆星在生命末期發生大爆炸後坍縮形成的。此外，許多銀河的中心都存在比太陽重100萬～100億倍的巨大黑洞，但其誕生的確切時期和機制尚不明確。在人類存在的銀河系中心還有一個名爲「人馬座A*」的巨大黑洞。

由於光的到達需要時間，例如當人類用望遠鏡觀察100億光年外的天體時，看到的就是該天體100億年前的狀態。銀河和黑洞也同樣，研究遙遠的天體可以幫助瞭解其過去的情況。

然而，距離遙遠的黑洞很難觀測。傳統上，探測120億～130億光年外（即120億～130億光年前）的巨大黑洞通常使用地面望遠鏡捕捉巨大黑洞吞噬周圍天體發出的光芒（「類星體」）的方法。但是，由於這種方法只能發現相同時期的銀河數量的千分之一，因此人們一直認爲宇宙初期巨大黑洞非常少。

黑洞中心擁有閃亮的類星體的銀河想像圖（供圖：NASA、ESA、美國太空望遠鏡科學研究所J. Olmstead）

美國、歐洲和加拿大營運的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡大幅提高了遙遠宇宙紅外觀測的靈敏度。因此，研究團隊研究了該望遠鏡的觀測資料，並在120億～130億光年前的185個銀河中的10箇中發現了揭示巨大黑洞存在的獨特氫特徵。根據之前的見解，計算顯示該望遠鏡的狹窄視角上會發現0.2個，也就是基本找不到，但此次卻意外發現了其50倍數量的巨大黑洞。

意外發現50倍數量的巨大黑洞（供圖：播金優一）

該望遠鏡還捕捉到了銀河中心有巨大黑洞的光線。顏色有黃色、藍白色、紅色等，形狀也多種多樣。這表明巨大黑洞普遍存在於當時各種類型的銀河中。

此次捕捉到的巨大黑洞的質量僅爲此前觀測到的類星體中心的巨大黑洞質量的1/100，被認爲更接近於形成初期。據研究人員推測，巨大黑洞可能在這一時期迅速成長。

研究團隊的東京大學宇宙射線研究所的播金優一助教（宇宙物理可用能學）在新聞發佈會上表示：「宇宙初期的巨大黑洞的形成和成長比此前認爲的還要早。這一成果對我們瞭解宇宙的起源有相當大的影響。儘管我們已建立了解釋類星體數量少的理論模式，但仍無法解釋此次的成果。此外，如果將與本次捕捉到的不同類型計算在内，巨大黑洞可能會更多。我們將透過對130億年前也進行詳細研究，逐步揭開謎團」。

相關成果已於2023年12月6日發表在美國天文期刊《天體物理可用能學雜誌（The Astrophysical Journal）》上。

繼這一成果之後，播金優一助教等東京大學和日本國立天文臺的研究團隊再次發表研究成果稱，根據詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測資料，發現觀測史上距離最遠的134億～135億光年外的5個銀河中，恆星在比傳統理論預測更短的時間內陸續誕生。5個銀河中的2個爲新發現的。研究團隊表示「這表明宇宙初期銀河的形成程序可能不同於以往的設想，爲理解初期銀河的性質提供了重要線索」。相關成果已於2023年12月23日同樣發表於《天體物理可用能學雜誌（The Astrophysical Journal）》上。