发现宇宙中最古老的黑洞

我们的宇宙是在一次大爆炸中诞生的，大约137亿年前。那时，所有的物质和能量都被压缩在一个极小的点上，然后突然膨胀，形成了我们今天看到的宇宙。在这个过程中，有一些物质聚集在一起，形成了恒星、行星、星系和星团。但是，你可能不知道的是，有一些物质聚集得太多，以至于形成了一种非常奇特的天体，我们称之为黑洞。

黑洞是什么呢？简单地说，黑洞是一种引力场如此强大的天体，以至于连光都无法逃逸。黑洞的质量越大，它的视界半径就越大。例如，如果太阳变成了一个黑洞，它的视界半径就是大约3公里。如果地球变成了一个黑洞，它的视界半径就是大约9毫米。如果你变成了一个黑洞，你的视界半径就是大约10^−25米，比原子核还要小得多。

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黑洞是怎么形成的呢？一般来说，黑洞是由一些非常大的恒星在死亡时形成的。当一个恒星耗尽了它的核燃料，它就会塌缩，形成一个更小的天体，比如白矮星、中子星或黑洞。如果恒星的质量足够大，它就会塌缩得如此剧烈，以至于形成一个黑洞。这种黑洞的质量一般是几倍到几十倍太阳的质量，我们称之为恒星质量黑洞。

但是，恒星质量黑洞并不是唯一的黑洞。在我们的宇宙中，还存在着一些更大的黑洞，它们的质量是几百万到几十亿倍太阳的质量，我们称之为超大质量黑洞。这些黑洞一般位于星系的中心，它们对周围的物质有着巨大的影响。

当一些物质被吸引到黑洞的附近时，它们会形成一个旋转的盘状结构，我们称之为吸积盘。在吸积盘中，物质会被加热到非常高的温度，从而发出强烈的电磁辐射，包括可见光、紫外光、X射线等。这些辐射可以被我们的望远镜观测到，从而让我们知道黑洞的存在。这种辐射的强度和频率取决于黑洞的质量和旋转速度，以及吸积盘的温度和密度。

你可能会问，超大质量黑洞是怎么形成的呢？这是一个非常复杂的问题，目前还没有一个确定的答案。有一些理论认为，超大质量黑洞是由一些恒星质量黑洞通过合并和吞噬物质逐渐增长而成的。有一些理论认为，超大质量黑洞是由一些非常大的气体云在宇宙早期直接塌缩而成的。还有一些理论认为，超大质量黑洞是由一些原初黑洞，也就是在宇宙大爆炸时由密度波动形成的黑洞，通过合并和吞噬物质逐渐增长而成的。这些理论都有各自的优点和缺点，还需要更多的观测和计算来验证。

你可能还会问，超大质量黑洞是什么时候形成的呢？这也是一个非常有趣的问题，因为它涉及到宇宙的演化历史。我们知道，宇宙大爆炸后，宇宙经历了一段暗时代，这是因为宇宙中还没有形成任何恒星或星系，只有一些中性的氢和氦原子。这些原子会吸收背景辐射，使得宇宙变得黑暗。这个暗时代大约持续了几亿年，直到第一代恒星和星系的诞生，它们的辐射使得宇宙重新变得明亮，这个过程我们称之为再电离。

这些第一代恒星和星系是由最原始的氢和氦原子组成的，它们的质量和亮度都非常大，寿命也很短。它们的死亡可能是形成了一些恒星质量黑洞的起源。但是，这些恒星质量黑洞要想变成超大质量黑洞，还需要很长的时间和很多的物质。所以，我们预期，超大质量黑洞的形成应该是在再电离之后的一段时间，也就是在宇宙年龄大约1到2亿年的时候。

然而，最近的一些观测却给我们带来了一些惊喜。一篇论文报告了一项重大的发现，它利用了詹姆斯·韦伯太空望远镜的高分辨率光谱仪对一个距离我们约130亿光年的星系进行了观测，这个星系的名字叫做GN-z11，它是目前已知的最遥远的星系之一，它的红移是10.6，这意味着我们看到的是它在宇宙年龄只有4亿年时的样子。

这篇论文的作者发现，这颗星系除了有强烈的恒星形成活动外，还有一个更令人惊讶的特征，那就是它的中心存在着一个小而活跃的黑洞，它的质量大约是160万倍太阳质量，它的吸积率大约是5倍爱丁顿极限，这是一个描述黑洞最大吸积率的理论值。这个黑洞是目前已知的最早期的黑洞之一，它的存在对于我们理解黑洞的形成和演化，以及它们对宇宙的影响，都有重要的意义。