天文學家在探索早期宇宙時，通常不會預期能夠觀察到完全發展的宇宙物體，反而會發現小型星系、年輕恆星及仍在成長中的黑洞。然而，最近利用詹姆斯·韋布太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）的觀測，卻揭示了一個完全意想不到的現象——一個幾乎獨自存在的巨大黑洞，周圍幾乎沒有恆星。這個物體位於一個名為 Abell 2744-QSO1 的星系中，存在於大爆炸後僅 7 億年時，質量已大約是太陽的 5,000 萬倍。這一發現挑戰了黑洞形成的基本理論，並提出了一個有趣的可能性，即某些黑洞可能在恆星出現之前就已經形成。
研究的作者之一、劍橋大學的博士後研究員劉博源（Boyuan Liu）表示：「這是一個難題，因為傳統理論認為黑洞應該與恆星一起形成，或者在恆星之後出現。」
在標準天體物理學中，黑洞和恆星是密切相關的。恆星是由崩塌的氣體雲形成的，而黑洞則是在最大的恆星耗盡燃料後才出現的。隨著時間的推移，這些黑洞會通過吸食氣體和與其他黑洞合併而增長。然而，這一過程需要時間，這也是天文學家在解釋宇宙歷史早期出現極其巨大的黑洞時所面臨的挑戰。QSO1 星系的存在使這一問題變得更加複雜，因為其恆星質量極少，這意味著沒有足夠的恆星來解釋如此巨大的黑洞的存在。
根據研究作者的說法，這創造了一個基本矛盾，即這個黑洞似乎在沒有首先形成正常星系的情況下就變得巨大。為了解開這個謎團，研究人員轉向了一個幾十年前提出但從未得到確認的概念——原始黑洞。這些假設性物體是在 1970 年代由斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和伯納德·卡爾（Bernard Carr）提出的。原始黑洞並不是由死亡恆星形成，而是直接從大爆炸後宇宙中的極端密度變化中產生。
如果這些黑洞確實存在，它們大多應該是微小且短暫的。然而，劉的團隊調查了少數原始黑洞是否能在適當的條件下存活並迅速增長。他們構建了更為複雜的模擬，研究氣體如何在初始的原始黑洞周圍行為，恆星如何在附近形成，以及恆星死亡後的物質如何回饋到增長中的黑洞中。在這些模擬中，研究人員以質量約為太陽 5,000 萬倍的原始黑洞種子開始，然後跟蹤氣體如何流入、恆星如何在附近形成，以及恆星爆炸如何隨時間將物質供應回增長中的黑洞。
與以往的簡化模型不同，這些模擬同時考慮了多種相互作用的過程。當該團隊將結果與實際的 JWST 數據進行比較時，發現其相符之處不僅在於最終的黑洞質量，還包括 QSO1 周圍檢測到的恆星數量和化學元素。劉補充說：「隨著這些新觀測的出現，正常的黑洞形成理論難以重現的情況，使得早期宇宙中存在巨大的原始黑洞的可能性變得更加合理。」
這些發現並不證明 QSO1 中的黑洞最初是原始黑洞，但顯示出這種起源與觀測結果是一致的。研究人員表示，這是令人振奮的，因為標準模型在解釋這一物體時表現不佳。展望未來，他們計劃進一步完善模擬，並與未來的 JWST 發現進行比較。如果發現更多類似 QSO1 的星系，這些星系可能提供關鍵證據，表明宇宙中一些最大的黑洞並不是恆星的最終產物，而是在宇宙初期就已經誕生。
然而，仍有一些問題需要解決。例如，典型的原始黑洞模擬很少產生大於 100 萬太陽質量的物體，這遠小於在 QSO1 中觀察到的約 5,000 萬太陽質量的黑洞。這意味著，根據普通假設，原始黑洞難以增長到足夠的速度以解釋如此極端的物體。一種可能的解決方案是，原始黑洞可能在早期宇宙中以密集的群體形成，從而更快地合併並獲得質量，但這一過程仍然不確定且難以建模。
另一個未解決的問題是，原始黑洞形成可能需要強烈的高能輻射爆發，但目前尚未在 QSO1 附近找到這樣的來源。這項研究已發表在 arXiv 上。
