星系中心的超大质量黑洞咋来的

我们都知道小质量黑洞怎么来的，8倍太阳质量以上的恒星死亡后都会演化为较小质量的黑洞，但是例如我们银河系中心400万个太阳质量、M87星系中心65亿个太阳质量的黑洞怎么来的？有这么大的恒星能通过超新星演化出这么大的黑洞吗？显然不可能！

所以我们今天就了解下宇宙早期的超大质量黑洞演化过程，它咋来的！

先了解下我们银河系的超大质量黑洞是怎样被发现的

银河是夜空中光明与黑暗的交织，它包含了我们所能看到的所有恒星，从年轻到古老，有大有小，颜色各异，中间夹杂着昏暗的气体云，绵延数十万光年，而我们就是其中的一份子！

但是在我们星系的中心，在核心的深处，包含着一个与众不同的天体。

由于中性气体和尘埃的阻挡，星系的中心在可见光谱中完全看不见，所以我们只能在太空中通过非常特定的波长，才能成功地观察到星系中心的情况。

当我们真正看到星系的中心时，又会注意到一个特殊的区域从附近其他区域中脱颖而出，它略显不同！

上图就是一些银河系中心观测结果，分别是：斯皮策望远镜红外线观测结果、哈勃的近红外线结果、钱德拉x射线结果！

黄色小框中明亮的地方，是银河系最内部，最中心的区域，可以看出在每个波长上它都比其他地方更加明亮。

如果我们用最高分辨率的无线电望远镜，继续往里面看，我们会发现什么？

很明显，成千上万颗恒星挤在一个空间区域里，一片混乱，啥也看不到。

那我们继续放大，在年轻、炽热的恒星之间，在人马座A*这个非常小、非常特殊的位置上，有一个明亮的射电源。

下图：

注意上图中黄色箭头标识的区域，在照片中前景恒星的衬托下，是不是显的十分微小！这也没啥特殊的。

但是周围的恒星正以非常惊人的速度绕着这个位置中的某个物体旋转，根据万有引力定律，这个物体的质量至少是太阳质量的400万倍。

这么大？这个玩意是啥？我想你应该猜到了！

而且这个物体还不发光，现在知道这是什么了吧！这就是为什么我们知道我们的星系中心有一个超大质量黑洞。

事实上每个星系都有一个，星系越大，中心的黑洞就越大。

但是我们银河系中心位置不止这一个最大的黑洞，周围应该还有中型、小型黑洞，因为这里的恒星杂乱无章，运动的毫无章法可言。

超大质量黑洞在大多数时间都处于休眠状态，或者不活跃，因此，就像银河系这种黑洞一样，很难被探测到。

（这也是我们为什么要观测M87星系的黑洞，因为M87黑洞有66亿个太阳质量，异常活跃！）

但是用我们用钱德拉x射线望远镜深入宇宙，我们能够看到宇宙中至少有3亿个活跃的超级大质量黑洞。

所以有一件事就特别奇怪，在宇宙的早期阶段，那时最早的超大质量黑洞比我们想象的要大得多。

那么为什么这些超大质量黑洞在宇宙早期就会形成，为什么它们的质量增长的如此迅速快?

宇宙早期原料很丰富，我们来看下早期形成的超大质量恒星

我们知道超新星爆发时，要么留下中子星、要么就是黑洞，但是留下的只是一个质量为太阳质量几倍、几十倍的黑洞。

你应该没听说过一个超新星爆发后留下一个几百万、甚至几十亿个太阳质量的黑洞吧！那这个原始恒星应该大到无法想象。

也许我们只说过的最大的超新星产生了一个20到30倍太阳质量的黑洞，这个可以理解。

但这很难解释为什么宇宙中有数百万个或数十亿个太阳质量的黑洞。

要理解这些超级黑洞是怎样产生的，我们就需要回到宇宙的早期阶段：在我们的太阳系存在之前，在大星系团合并和形成之前，在几代恒星生存和死亡之前，甚至在最初的气体云和尘埃坍缩形成恒星之前。

那么这是什么时候？对！就是俗称的黑暗时期！

这时的宇宙相对均匀、密度最大的区域开始收缩...

最终，氢和氦在某个地方达到了足够高的密度，点燃了宇宙中的第一次核聚变，也引发了恒星的相继诞生。

我们要知道这时的宇宙中，氢和氦的总量大约是10^23个太阳质量，原始材料极为丰富！而每一个不同的区域形成的第一个恒星质量，从几百万个太阳质量到几十万个太阳质量不等！都是一些巨大的怪物！

等这些超级恒星形成以后，而剩下的残羹剩饭就像我们目前宇宙所有的恒星形成区域一样，宇宙将会继续形成各种各样的恒星。

这时形成的大多数恒星寿命较长、亮度较暗、质量较低。

超大质量恒星的不同命运

那些质量最大、最热、最亮、最蓝、寿命最短的恒星，会出现3种命运：

Q1、一部分大质量恒星将在其核心形成重元素 最终形成行星，最终成为超新星 丰富宇宙，核心坍缩形成较小的黑洞，也就是我们目前最熟悉的黑洞诞生的过程！

Q2、那些质量超过太130个太阳质量的极端恒星，脾气就更加暴躁了。

这些恒星的内部能量非常高，产生的光子并不会直接辐射出来，而是像宇宙早期一样，光子在超高的能量下形成了正反物质对，而正反物质对拥有较低的运动速度，给恒星的内部带来了一定的不稳定性，不能提供正常的辐射压力，最终恒星在没有燃烧完燃料时，整个恒星所有的物质就会快速向内塌缩，导致失控的核聚变，从而将整个恒星摧毁，但是这时大多数恒星的物质都会坍缩成为黑洞。

当然，这个过程并不能帮助创造一个超大质量的黑洞。

Q3、事实是，以上的情况只适用于质量大于130个太阳质量，小于250个太阳质量的恒星。

如果恒星的质量比250个太阳质量还要大，在恒星的内部就会开始产生能量巨大的伽马射线，这些伽马射线会把之前生成的重原子核电离成轻元素 氦和氢，从而使得恒星内部冷却。

在一颗质量超过250个太阳质量的恒星中，它会完全坍缩成一个黑洞。

260个太阳质量的恒星会产生一个260个太阳质量的黑洞，1000个太阳质量的恒星会产生一个1000个太阳质量的黑洞，等等。

现在的问题是，这些恒星制造的黑洞单个质量还是不够目前的要求！但是只要量多这事就好办？因为黑洞可以通过吸积附近的恒星、互相合并慢慢长大！

狼蛛星云，宇宙早期星系演化、超大质量黑洞形成的缩影

那么宇宙能否在一片区域内大量制造了这些恒星使它们能够成长为早期超大质量黑洞？为了回答这个问题，我们将目光转向局部星系群中最大的恒星形成区域：位于大麦哲伦星系中的狼蛛星云。

看看宇宙有没有这个能力！

狼蛛星云的空间区域跨度近1000光年，中心是巨大的恒星形成区域R136，包含了大约45万个太阳质量的新恒星。

整个星系十分活跃，并且不断地形成新的大质量恒星。

对于宇宙早期的星云来说这个真的是小儿科，但是这也是早期的一个缩影！我们继续往下看：

如此活跃地星云，也理所当然的创造了离我们最近的超新星SN 1987a！它位于狼蛛星云的外围。

在R136的中心地区，充满了炽热明亮的蓝色恒星。

我们可以看到，在众多蓝色的恒星的旁边有一颗另类的红色恒星。

它很有可能成为我们夜空中的下一个超新星！

但是即使它形成了一个黑洞，也不会形成一个非常大的黑洞。

我们需要在这寻找一个质量超过太阳250倍的恒星。

在狼蛛星云中其实就有一个：

人类已知的最大恒星：R136a1，有265个太阳质量，可是R136a1并不会坍缩成一个265个太阳质量的黑洞！因为它的核心在形成时就已经有了大量的重元素，但在早期宇宙中，没有重元素的存在，所有超过这个质量阈值的恒星将简单地转换成黑洞!

总结：超大质量黑洞和星系的形成是一个不断融合、吸积、演化的过程

我们知道星系是在早期宇宙中形成的，由于坍缩恒星形成区域的快速合并和增长，这些早期形成的大小黑洞将会彼此融合，不断膨胀，在所有物质的中心形成越来越大的黑洞，这样宇宙的第一个大星系就形成了。

假如每50万个太阳质量的恒星只能得到一个250个太阳质量的黑洞，这意味着一个星系的中心要有1亿-2亿个太阳质量的黑洞，就需要大约20-4000亿个太阳质量的恒星！那么你觉着作对宇宙的早期是一件难事吗？

银河系中心藏着一个黑洞，为什么年轻恒星还敢靠近？

一颗恒星绕着一片黑暗跑，跑到最近的地方，速度能达到每秒几千公里。

它没有撞上一颗更亮的星，也没有突然消失，而是拐过弯，继续绕圈。

天文学家盯着它看了多年，终于算出那片看不见的区域里，挤着相当于四百多万个太阳的质量。

我们所在的银河系，心脏处藏着一个黑洞。

事情到这里，本来已经足够惊人。

但镜头再往周围拉一点，你会发现另一个麻烦：黑洞附近竟然有一群年轻恒星。

那里的引力差异能扯散气体云，按简单的想法，造一颗新星应该很困难。

它们却明晃晃地待在那里。

这个最不适合安家的地方，怎么偏偏住进了一群年轻住户？ 先别急着把飞船开过去。

银河系中心距离我们约两万六千光年，望远镜接收到的光，出发时人类还没有今天的城市。

而且，挡在路上的气体和尘埃很多，用普通可见光去看，就像隔着一层层烟找一盏灯。

肉眼能看见银河横过夜空，却没法直接看清那个最关键的中心。

科学家换了办法：用红外线穿过部分尘埃，再用更大的望远镜、更精细的技术，压低大气扰动带来的模糊。

原来挤成一团的光点，逐渐分出了各自的位置。

隔一段时间拍一次，再把照片连起来，星星就动了。

你以为恒星都钉在天上，只是因为平时离它们太远，看不到这种快进后的舞蹈。

其中一颗著名的恒星叫S2，绕中心一圈大约需要十六年。

它的路线不是一个漂亮的正圆，而是一条很扁的椭圆：远处慢一点，贴近中心时猛然加速，再冲向远处。

我们熟悉的行星也有类似规律，只不过这颗星面前的引力来源，比太阳强得多，而且大部分看不见。

这正是证据最硬的地方。

无需先拍到黑洞，恒星怎么运动，就能帮助我们给中心称重。

轨道的大小、周期和速度合起来，限定了那里必须有多大的质量；多颗恒星的运动又相互印证。

质量这么大，范围又这么小，用一堆普通恒星勉强凑出来，会遇到稳定性和观测上的难题。

2022年，事件视界望远镜合作组织公布了银河系中心黑洞的图像。

它叫人马座A星，名字里的“星”是历史命名的一部分，别把它当成一颗正常发光的恒星。

照片中那个偏橙色的环，也不是黑洞表面被烧红了。

我们看到的是周围炽热物质的辐射，以及强引力作用下形成的亮暗结构。

中间的暗区与黑洞阴影有关。

掉进事件视界以内的光无法再出来，周围的光路还会被弯曲，最后形成我们能接收到的图像。

颜色经过了科学可视化处理，橙色不是它在眼睛里本来就会呈现的样子。

但这不妨碍它成为一张重要的实测图：天文学家终于把恒星轨道和中心附近的影像，对到了一起。

既然它这么重，为什么没有把整个银河系一口吃掉？因为黑洞不会隔着两万多光年，像吸尘器一样把一切吸过去。

远离它的地方，引力仍按距离衰减。

假如把太阳换成一个质量相同的黑洞，地球的轨道并不会因此立刻崩溃，只是阳光没了。

当然，真实的银河系中心黑洞质量远大于太阳。

更重要的是，太阳绕银河系运行，受到的不仅是中心黑洞的引力，还有恒星、气体以及暗物质等共同构成的引力场。

把整座银河理解成一个黑洞牵着所有星星转，会漏掉绝大多数质量。

人马座A星在自己附近非常有统治力，放到整个银河的尺度上，却不能包办所有事情。

现在再回到那些年轻恒星。

麻烦不在于“靠近黑洞的星一定会被吃掉”，稳定轨道上的恒星可以长时间生存。

真正难的是它们怎样形成。

造恒星需要气体聚集，越聚越密，最后塌缩。

但黑洞附近，气体云两端受到的引力可能差很多，一边被拽得更快，一边跟不上，云就容易被拉散。

这有点像你想把一把细沙堆成小塔，桌子却一直从两个方向拉扯。

沙塔不是绝对堆不成，但原先那套轻松的办法，未必还管用。

科学家因此把问题称作银河系中心的“年轻恒星悖论”。

这里的悖论，不是自然违反了物理规律，而是观测给出了结果，我们还得解释过程。

一种思路是，它们可能在较远、比较有利的环境里出生，之后通过动力学过程走近中心。

另一种思路是，足够密集的气体盘在特定条件下，也可能抵抗拉扯并形成恒星。

还有涉及双星的机制：两颗相互绕行的恒星靠近黑洞，可能被拆散，一颗被甩走，另一颗留在紧靠黑洞的轨道上。

这些方案都不能只凭一句“也许”就算过关。

它们要解释恒星的年龄、质量、轨道方向和分布，解释为什么有些星像组成了一张盘，有些星的路线又显得杂乱。

每多测准一条轨道，就多一道必须通过的检查。

不同区域、不同群体，也未必都来自同一条出生路线。

中心附近还有气体、尘埃、磁场和偶尔增强的辐射，并非一片什么都没有的黑色空地。

黑洞吃进去的物质不总是很多，却会发生亮度变化。

想象你隔着很远拍一只不断晃动的动物，每次快门里的细节都变了，就能理解为什么给它做成清晰图像，比拍一个固定目标费劲得多。

恒星的运动，还能让这里变成检验引力理论的现场。

S2接近黑洞时，光谱会出现与强引力和高速运动有关的变化；它的轨道方向也会缓慢转动，画出来像逐次展开的花瓣。

这些观测与广义相对论的预言相符。

看起来奇怪的动作，反而给我们提供了计算能不能对上现实的机会。

所以，听到“银河系中心不对劲”，先别把它理解成那里开了宇宙传送门。

一个看不见的重物、一群不容易解释出生过程的年轻星，再加上快速变化的气体，已经足够让天文学家忙上几十年。

研究里的悬念，可以很大，但不需要拿外星文明或时空裂缝给它加戏。

而且，我们此刻看到的是那个区域很久以前的样子。

这个距离决定了任何新信息都要花很长时间才能抵达。

它不是窗外正在发生的一场爆炸，也没有证据表明中心黑洞即将沿着银河冲向地球。

它让人紧张的，是尺度和环境；让科学家着迷的，是我们真的能把这些东西一点点量出来。

如果未来真能站在一艘安全的观测飞船上，从远处望向那里，最先让你惊讶的未必是黑。

周围的恒星会很拥挤，气体在不同波段下呈现复杂结构，最深处的目标却依然不能直接发光。

危险与热闹挤在同一个地方，恒星还在沿着各自的路线赶路，丝毫没有给我们的直觉留面子。

银河系中心最有意思的秘密，就藏在这种反差里：一个黑洞已经被多条证据确认，一群年轻恒星的来历仍值得追问。

S2每绕完一圈，都替我们补上几笔答案。

夜空里那些看似静止的小点，其实正在最极端的引力场旁边跑。

我们暂时去不了，却已经能听懂它们脚步里的信息。

韦伯看见早期宇宙里的大星系，真的把理论推翻了吗？

如果给一个刚上幼儿园的孩子拍照，照片里却站着一个两米高的成年人，你的第一反应会是什么？年龄记错了，照片认错了，还是他真的长得太快？韦伯望远镜看向早期宇宙时，天文学家遇到了有点相似的麻烦：一些遥远目标，亮得让人怀疑它们是不是来得太早、长得太大。

于是，“宇宙模型错了”“大爆炸被推翻”这样的标题迅速出现。

一张深空照片，仿佛把几代人的理论同时掀了桌。

可是，如果你把那些小小的红色亮点放大，最关键的问题才刚开始：我们看到的光，到底由谁发出来？这处答案的差别，足以改变一整个星系的“体重”。

韦伯擅长观察红外光。

宇宙膨胀会拉长遥远天体发出的光的波长，原本较短波长的光，抵达我们时可能已经进入红外范围。

它能够帮助人类观察很早的星系，看到恒星与黑洞成长初期留下的光。

那里不是今天的现场，而是经过漫长旅程，终于到达望远镜的旧画面。

早期宇宙的麻烦，是时间不太够用。

气体要聚集，恒星要形成，小系统要成长，有时还要经历合并。

如果在宇宙诞生仅几亿年后的画面里，就出现许多看起来十分庞大的星系，研究人员当然会追问：已有的成长模型是否把某些过程算慢了？或者我们估计它们质量的方法，有没有偏差？ 注意照片并不会直接显示质量。

望远镜接收到光，研究人员再结合距离、光谱与恒星模型，估计目标拥有多少恒星。

这个过程有点像夜里远看一栋楼，通过亮着的窗户估计住了多少人。

你得知道窗户平均有多亮，也得判断有没有一盏特别强的探照灯，把整栋楼照得比实际更热闹。

早期星系里的恒星，未必与附近星系的恒星具有相同年龄分布。

年轻的大质量恒星很亮，少量这样的恒星就能贡献许多光；尘埃又会改变不同波段的亮度。

即便确实来自恒星，怎样把光换算成质量，仍需要谨慎。

看起来很亮，可以是星很多，也可以是某些星特别能发光。

那盏“探照灯”还有一个更惊人的候选者：正在吞吃物质的黑洞。

黑洞自身不把内部的光送出来，但周围落入的气体会在复杂运动中变热并释放强烈辐射。

如果一部分亮光来自这种过程，却都被算成恒星发出的光，星系中的恒星质量就可能被高估，像把舞台灯也算成了观众。

韦伯发现的一类紧凑红色目标，被称为“小红点”。

这个名字几乎没有替它们做解释，只是把观测到的样子记下来。

它们很小、很红，有些光谱里还出现宽阔的氢谱线，提示发光气体有很大的运动速度。

正在吸积的黑洞，是解释部分目标的重要方向，但整类对象的性质仍有争论。

所以，把一张图里每一个红点都叫“过于巨大的星系”，会过早给它们定身份。

研究人员需要继续测光谱，查看不同波长的特征，比较黑洞、气体、恒星各自可能贡献多少。

第一张照片给的是线索，后续测量才逐渐拆开线索里混在一起的东西。

这也解释了为什么新闻里的结论会变化。

2024年，一项对韦伯早期星系的研究就强调，部分目标的光可能受到黑洞贡献影响，剔除这种干扰后，某些原先夸大的恒星质量可以降下来。

它没有让所有问题消失，却说明一个很现实的反转：所谓“宇宙没时间造出它”，有时可能是我们一开始把它估得太重了。

但别马上走到另一个极端，说这些发现原来只是误会。

即使修正了部分质量，早期星系为什么如此明亮、恒星形成效率怎样、黑洞为什么那么早成长起来，依然需要研究。

韦伯带来的价值，恰恰是让这些问题有了更详细的证据。

原本模糊的远方，现在终于能提出更尖锐的问题了。

这里还藏着一个层级差别。

宇宙学模型描述宇宙整体怎样膨胀、物质成分如何影响大尺度演化；星系形成模型则要处理气体冷却、恒星形成以及能量反馈。

后一层里某些参数需要修改，并不自动意味着前一层已经崩塌。

厨房里的烤箱温度估错了，不能立刻证明整栋楼的建筑图是假的。

当然，整体模型也不是不可挑战的。

假如大量独立观测持续出现无法解释的矛盾，就需要认真检查基础假设。

但要达到这一步，得排除测量偏差、目标识别错误和模型中的普通不确定性。

一个诱人的候选体，或者一篇刚出来的分析，还不足以替所有证据宣布最后结局。

远方目标的距离也需要核实。

几种滤镜中的颜色可以帮助挑选很遥远的候选星系，却可能被较近的尘埃丰富目标混淆。

光谱能提供更可靠的红移信息。

因此，你看到“最远候选星系”时，要留意候选两个字；完成进一步确认以后，才更适合拿它的年龄去检验宇宙成长的速度。

已经确认的早期星系同样令人吃惊。

例如韦伯对JADES-GS-z14-0的光谱观测，显示我们看到的是大爆炸后约2.9亿年的它。

这个具体例子告诉人类，很早的宇宙已经能形成明亮星系。

它不必被包装成“当天推翻全部理论”，也足以让研究人员重新琢磨气体如何快速变成恒星。

还有些研究，正在探索被浓密气体包围的黑洞，是否能解释部分小红点的表现。

听起来像科幻的“黑洞星”，在这里指的是一类模型解释，不是已经给每个红点确定了户口。

不同模型要接受光谱等观测的检验，哪一项能同时解释更多特征，哪一项才更有说服力。

对普通读者来说，这种一步步修正往往没有“理论全错”那么痛快。

可真实的探索就发生在这里：同一束光中到底包含多少恒星，多少发热气体，目标究竟多远？每答对一个问题，宇宙的历史就少一点模糊。

被修改的数值，是更接近真实的代价，不是科学不许承认的丢脸现场。

你还可以做一个小小的阅读检查。

新闻说“过于庞大”，究竟指尺寸大，还是推断的恒星质量高？说“太早出现”，距离有没有光谱确认？说“模型解释不了”，是哪个模型、哪组假设？这几个问题一问，许多看起来气势汹汹的标题，就会恢复成一项具体研究本来的样子。

目前，韦伯的早期星系观测正在推动对星系与黑洞形成的研究，不能据此断言大爆炸已被推翻。

未来也可能出现迫使我们进一步改理论的新证据，没有人能提前把门关上。

但改多少、改哪一层，应该由可重复的观测决定，不能由一张照片配上的惊叹号决定。

那张深空照片依然值得多看一会儿。

画面里的小亮点，有些把我们带到宇宙刚开始形成星系的年代。

人类第一次看清它们，就发现以前设想的成长过程可能还不够完整。

最让人想继续追下去的，其实是这个尚未结束的故事：在那么年轻的宇宙里，究竟是谁先把灯打开了？