黑洞到底有多大？

天文學家們正在觀測一種新型的巨型黑洞，其體積甚至超過了位於星系中心的超大質量黑洞。在太空的黑暗中，會不會還有更可怕的怪物潛伏着？

在我們銀河系的中心，住着一個龐大的黑洞。它和我們的太陽一樣寬，但質量卻大了數百萬倍。它巨大的引力攪動了周圍的星際塵埃和氣體。這個超大質量黑洞是銀河系的跳動心臟，在銀河系130億年的整個歷史中，驅動着銀河系的形成和演化，幫助誕生了像我們太陽系這樣的太陽系。偶爾，一顆恆星會離得太近，被撕裂，在沒有絲毫存在痕跡的情況下消失。這是一個可怕的野獸，擁有創造和毀滅的巨大力量。

幾乎每個大型星系中心都有一個超大質量黑洞，但在宇宙的宏偉計劃中，我們的黑洞——被稱爲人馬座A*——是一個名副其實的輕量級。在過去的十年裏，天文學家們發現了更大得多的黑洞，被稱爲超大質量黑洞。有些黑洞的質量是人馬座A*的1000倍，大到足以跨越整個太陽系的寬度。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)所提供的無與倫比的視野，也讓我們對這些巨獸是如何在時間的黎明成長有了新的認識。但同樣多的謎團——它們從哪裏來，它們到底能有多大？

測量如此巨大和遙遠的天體(根據它們的定義，無法直接觀察)的尺寸是很棘手的，但我們知道一些最大的天體是驚人地大。迄今爲止發現的最大候選者之一，被稱爲Ton 618，位於距離地球180億光年遠的類星體的中央。它的質量估計是太陽的660億倍，其寬度可達海王星與太陽之間距離的40倍。最近，位於一個名爲Holm 15A的星系團中心的超大質量黑洞也被估計重約440億個太陽質量，是海王星-太陽距離的30倍。

這些無疑是巨大的。但一些科學家認爲，可能有更大的怪物潛伏在外。

英國紐卡斯爾大學的觀測宇宙學家詹姆斯·奈丁格爾說：“從理論上講，沒有限制。”他在2024年3月發現了一個超大質量黑洞，其質量是太陽的330億倍。

我們知道的黑洞有各種各樣的尺寸。最小的是微型黑洞，其大小可能小到一個原子的尺寸。也許更熟悉的是恆星級黑洞，這是非常巨大的恆星坍縮的結果。它們的質量約爲太陽質量的3到50倍，但被壓縮成一個“大約倫敦大小”的物體，加拿大蒙特利爾大學的天體物理學家朱莉·赫拉瓦克-拉隆多說。中等質量黑洞形成下一組，達到太陽質量的約50,000倍，跨越一個大約木星大小的太空區域。超大質量黑洞的質量可達太陽質量的數百萬或數十億倍。

雖然還沒有對超大質量黑洞的嚴格定義，但一般認爲它們從“太陽質量的100億倍”開始，赫拉瓦克-拉隆多說。雖然原則上沒有任何理由阻止黑洞長到那個尺寸，但考慮到我們目前對黑洞如何生長和宇宙相對年輕的年齡，它們的出現是意料之外的。

“使用傳統的餵養方法很難建造如此巨大的黑洞，”赫拉瓦克-拉隆多說，指的是由於黑洞的引力而吞噬周圍物質的方式。“我認爲人們沒想到它們會[存在]。”

如果你不斷餵養一個黑洞，原則上它應該會不斷地增長，任何越過事件視界的天體或物質都會導致黑洞的質量增長。

實際上，宇宙的年齡和我們認爲黑洞生長的速度應該限制它們的尺寸，在我們目前的這一點上可能不超過2700億個太陽質量。然而，一些科學家認爲，如果這些黑洞能夠以比預期更快的速度吞噬物質，那麼它們可能已經長得更大，在現代宇宙中達到數萬億個太陽質量。這些物體，被稱爲驚天大黑洞，將有一個大約一光年的半徑。目前還沒有發現這樣的物體，但我們還不能排除它們隱藏在一些星系的中心。

天文學家們在2010年代早期發現了第一個超大質量黑洞。從那時起，已經發現了大約100個。2023年3月，奈丁格爾和他的同事宣佈，他們發現了一個新的超大質量黑洞，其質量約爲太陽質量的330億倍。他們只能通過觀察來自更遙遠星系的光繞過黑洞的方式才能看到它。“這是一個非常偶然的發現，”奈丁格爾說。它們一定是在宇宙歷史的相對早期誕生的，然後貪婪地吞噬物質。

我們無法直接看到黑洞，因爲它們的本質——在其邊界，即事件視界，引力變得如此強烈，以至於沒有任何東西可以逃脫，甚至光也無法逃脫。因此，我們只能在它們對周圍被黑洞吞噬的明亮物質投下陰影時才能看到它們。然而，我們可以更容易地推斷它們的存在，方法是觀察一個星系並注意中心黑洞的影響。一種方法是尋找從黑洞的極點發射出的強大的噴流。“我們仍然不完全理解它們是如何形成這些結構的，但它們確實形成了，”赫拉瓦克-拉隆多說。這些射電噴流可以延伸到數百萬光年長。

黑洞還可以產生圍繞它們旋轉的熾熱物質環，稱爲吸積盤，因爲它們吞噬了物質。物質以極快的速度繞着黑洞旋轉，巨大的引力使它以“大約光速”螺旋下降，赫拉瓦克-拉隆多說。當它落向黑洞時，物質盤也會發出明亮的X射線。黑洞越大，吸積盤和噴流分別產生的X射線和無線電波就越多。

超大質量黑洞和較小黑洞之間的物理原理基本相同——落入事件視界之外，就沒有逃脫的可能。更大的質量會導致更大的事件視界半徑。但超大質量黑洞由於其尺寸而具有一個有趣的特性。

如果你不幸落入一個恆星級黑洞，你會經歷一種被稱爲意大利麪化的現象——你的身體會被拉伸到無窮大——因爲你的腳和你的頭之間的引力差異。然而，在超大質量黑洞中，由於它延伸到太空中更遠的地方，引力梯度要平緩得多，以至於你幾乎不會注意到墜入事件視界之外。“意大利麪化不會發生，”奈丁格爾說。唯一能暴露你命運的是由於黑洞的引力而扭曲的星光。

由於JWST的強大功能，天文學家們現在可以觀測到越來越遠的地方，因此由於光從宇宙遙遠角落到達我們所需的時間，也可以看到更遠的過去。這使得他們能夠看到宇宙存在的前幾億年中的星系。爲了讓這些遙遠的黑洞長得這麼大，它們一定是在宇宙歷史的相對早期誕生的，然後貪婪地吞噬物質，這與我們對黑洞形成限制的許多知識相矛盾。然而，天文學家們開始看到這種現象的證據。

JWST在宇宙最古老的區域發現了一種以前從未見過的星系類型。科學家們發現了數百個奇怪的、緊湊的星系，它們發出的光比預期的要亮得多，存在於大爆炸後大約6億到10億年。由於它們的顏色和大小，它們被稱爲“小紅點星系”。特別令人驚訝的是它們發出的光，似乎表明超大質量黑洞已經潛伏在其中。

這些觀測表明黑洞確實生長迅速。在我們當地的宇宙中，星系中心的超大質量黑洞往往比它們的主星系小約1000倍。但JWST發現，宇宙誕生之初，黑洞就和它們自己的星系一樣大，這表明黑洞可能先於星系形成。

英國劍橋大學的宇宙學家漢娜·於布勒說，與當地的宇宙相比，這些質量是“數十到數百倍”大於我們的預期。天文學家稱這些早期巨人爲“超大質量黑洞”。“這真的很令人驚訝，並且對理論模型提出了挑戰，以解釋這些黑洞是如何如此迅速地變得如此巨大的，”於布勒說，她曾使用JWST觀測這些早期黑洞。

這些黑洞是如何如此迅速地成長是一個謎，很可能與黑洞在早期宇宙中主要形成的方式有關。一種觀點認爲，它們是由宇宙中第一批恆星的死亡形成的，即所謂的第三代恆星——這些怪物的質量是太陽的100到1000倍，幾乎完全由氦和氫組成。這些恆星在生命最後階段的超新星——一場巨大的恆星爆炸——將更重的元素釋放到宇宙中。這些元素後來會產生其他恆星，最終產生行星，包括我們的太陽和地球。但它們的死亡也可能產生了巨大的黑洞，因爲物質在引力作用下向內坍縮。

西班牙空間科學研究所的天體物理學家馬爾·梅茲誇說：“這些恆星產生的黑洞比恆星級黑洞更大。”“你可以從中成長，並有更大的機會在短時間內變得超大質量。”

另一種可能性是，第一個黑洞主要不是從恆星形成，而是從氣體雲形成，稱爲直接坍縮黑洞。通常，這些雲會在重力作用下凝聚成恆星，但如果溫度足夠高，一些雲可能不會形成恆星，而是直接坍縮成黑洞。“這些是我們目前宇宙中找不到的條件，”梅茲誇說。然而，她說，在早期宇宙炎熱、動盪的條件下，這可能是可能的。

目前還沒有明確看到第三代恆星或直接坍縮黑洞，因此尚不清楚哪種機制——如果有的話——主導了早期宇宙中的黑洞形成。

然而，不管這些黑洞是如何形成的，它們一定已經發展出一種快速成長到巨大尺寸的方法。一種可能性是，它們大量產生併合並在一起，形成越來越大的黑洞，首先是中等質量，然後是超大質量，然後是超大質量。這將支持它們起源於第三代恆星的觀點，因爲第三代恆星的數量會比直接坍縮黑洞多。“如果我們今天發現許多中等質量黑洞，這意味着它們是通過第三代機制形成的，”梅茲誇說。如果天文學家在較小的矮星系等可能出現的地方發現一些中等質量黑洞，這可能支持直接坍縮黑洞的觀點，梅茲誇說。

超大質量黑洞也可能通過快速地以爆發的方式吞噬物質而快速生長，JWST已經看到了證據。天文學家已經觀測到一些早期星系是明亮和活躍的，但另一些星系有一個看起來處於休眠狀態的大黑洞，這表明後者一定已經在陷入沉睡之前喫掉了大量物質。“我們不知道這個循環會持續多久，”赫拉瓦克-拉隆多說。然而，他說，快速消耗的時期可能很罕見。“也許是黑洞壽命的1%。”

目前尚不清楚現代宇宙中的黑洞到底能有多大。“我們根據宇宙的年齡有了這個粗略的估計，”赫拉瓦克-拉隆多說，大約爲2700億個太陽質量。“但也許宇宙會給我們驚喜。”