研究发现黑洞吞噬速度惊人，远超理论极限

超大质量黑洞是如何成为每个星系中心的？不久前，这个问题的解释并不困难：那里的物质密度最高，黑洞在那里有数十亿年的时间来进食和长大。然而，随着韦伯望远镜的问世，越来越多宇宙早期的超大质量黑洞被发现。这些黑洞并不能悠闲地进食，而是以狂热的方式大吃特吃，才能长到如此巨大。
但韦伯望远镜可能刚刚找到了这一困境的突破口。它发现了一个黑洞，似乎在数百万年内以其理论极限的40倍速度进食，这使得它能以足够的速度增长，从而形成超大质量黑洞。这项新研究于11月4日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）期刊。
将要掉进黑洞的物质通常会先聚集成所谓的吸积盘，围绕着黑洞运行，并因与吸积盘其它部分的碰撞而加热，同时以辐射的形式损失能量。最终，如果能量损失足够多，物质就会掉入黑洞。物质越多，吸积盘就越亮，并且其产生的辐射会驱散更多的物质。辐射压力驱散的物质与黑洞吸引的物质达到平衡的点称为“爱丁顿极限”。黑洞越大，这一极限就越高。这对超大质量黑洞造成了挑战。我们目前所知的黑洞形成方式——即大质量恒星在超新星爆炸后死亡而形成黑洞——通常只会产生质量约为太阳几倍的黑洞。即使考虑到早期宇宙中存在的异常大质量恒星以及一些黑洞合并，预计大多数潜在的超大质量黑洞在其种子阶段的质量也仅为太阳质量的100倍左右。虽然有理论提出气体云的直接崩溃可以避免中间阶段的恒星形成，并立即形成质量达到太阳10,000倍或更多的黑洞，但这些仍然只是纯假设性的。
无论如何，黑洞在达到超大质量之前需要吸收大量物质。然而，根据它们缺乏X射线发射的情况，使用韦伯望远镜观测到的大多数早期超大质量黑洞的进食率约为爱丁顿极限的20%。这可能意味着它们在历史早期的进食一定超过了爱丁顿极限，或者它们从一开始就已经是非常大质量的黑洞。
这份新报告的研究对象LID-568，最初是使用钱德拉X射线望远镜观测到的，这是一个最近面临关闭威胁的天文台的望远镜。LID-568在X射线波长下非常明亮，这使得钱德拉能够发现它，并暗示它以极高的速率进食。红外成像显示它似乎是一个点源，因此研究团队得出结论，我们所看到的大部分光来自于吸积盘，而非它所占据的星系中的恒星。
然而，这使得确定黑洞环境的细节或计算它相对于宇宙大爆炸的年龄变得困难。因此，研究人员将韦伯望远镜对准它，以捕捉其它天文台无法捕捉的细节。
光谱学分析揭示了，我们目前所观察的LID-568，存在于宇宙大爆炸后约十五亿年。该区域的气体和尘埃的生成量很低，这表明黑洞位于一个矮星系中。根据氢的生成，研究人员估计该黑洞的质量约为太阳的100万倍，这是我们难以想像的庞然大物，但与许多超大质量黑洞相比却显得相对较小。
名为LID-568的黑洞的艺术假想图，它有巨大的吸积盘，并发出大量气体和尘埃以及X射线辐射。(NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani)
它的质量实际上与韦伯望远镜在更古老星系中识别出的一些黑洞相似，但它的亮度却高得多，相当于比其质量重10倍物体的亮度，并且还拥有那些黑洞所缺乏的X射线辐射。事实上，与其质量相比，它的亮度如此之高，以至于研究人员估计，只有在远超“爱丁顿极限”的情况下，它才能产生如此多的辐射。他们最终估计，这个黑洞超过爱丁顿极限40倍之多。
关键在于，韦伯望远镜能够识别出两个朝我们高速移动的物质区块，这是基于氢辐射线的蓝移。这些数据显示，该物质的速度超过每秒500公里，并延伸至距离黑洞数万光年远的地方。可以推测，这些物质块也遮蔽了那些正朝我们远离的类似物质。根据它们的长度和表观速度，并假设它们代表着被黑洞驱动的气体，研究人员可以估计出此黑洞发出这种强烈辐射的时间。
根据这些推算，研究者估计这个黑洞的原始质量约为太阳的100倍。他们总结道：“这一寿命表明，LID-568的质量增长有相当大的一部分可能来自于一次超爱丁顿极限的吸积事件中。”为了使这一观点成立，这个黑洞必须曾经进入一个巨大的分子云中，并在那里进食超过1000万年。
研究人员怀疑，这种强烈的活动干扰了星系中的恒星形成，这是其星系系统中相对缺乏恒星的原因之一。这可能解释了为什么我们在当前宇宙中看到一些非常巨大的黑洞，它们都位于相对较小的星系中心。
在某些方面，这对宇宙学家来说可能是个好消息。超大质量黑洞能如此快速地形成，与韦伯所观测到的黑洞大小和年龄相比，这要求它们在其生命大部分历史中都处于爱丁顿极限或略高于爱丁顿极限的情况下进食，这被认为是不太可能的。然而，如果爱丁顿极限可以在超过1000万年的时间里被超越40倍，那么这似乎就不再是一个问题了。
但同时，研究团队生成的超大质量黑洞的质量与亮度的图表显示，LID-568多代表的是一个相当独特的黑洞类别。如果有很多黑洞以这一速率进食，那么应该很容易识别出更多的类似黑洞。正因为这个原因，研究人员正在检视其它X射线源，以查看是否还能发现此类别中的其它黑洞。