想像一下宇宙處於嬰兒期。大多數科學家認為時空起源於宇宙大爆炸。宇宙從那個又熱又密的開始膨脹和冷卻，但過了一段時間恆星和星系才開始點綴天空。直到大爆炸後38萬年，原子才聚集在一起，並以氫氣為主充滿宇宙。當宇宙只有幾億歲的時候，這些氣體聚合成最早的恆星，形成星系團聚集成星系，其中最古老的出現在宇宙誕生後4億年。令他們驚訝的是，科學家們發現在這一點上另一類天體也開始出現：類星體。
類星體是一種非常明亮的物體，它的動力是氣體落入超大質量黑洞。它們是宇宙中最明亮的東西，即使是在最遙遠的太空也能看到。最遙遠的類星體也是最古老的，其中最古老的類星體構成了一個謎。
要在如此不可思議的距離上被觀測到，這些類星體必須由含有約10億倍太陽質量的黑洞提供燃料。然而，黑洞形成和增長的傳統理論表明，一個足夠大的黑洞不可能在不到10億年的時間裡形成，而這個黑洞足以為類星體提供動力。然而，2001年，通過斯隆數字巡天計劃，天文學家們開始發現更早的類星體。已知最古老、距離最遠的類星體是在2017年12月報告的，它在大爆炸後僅存在6.9億年。換句話說，在宇宙的歷史上似乎沒有足夠的時間來形成像這樣的類星體。
許多天文學家認為，第一個黑洞——種子黑洞——是第一個恆星的殘骸，是恆星爆炸成超新星後留下的屍體。然而，這些恆星殘骸應該不超過幾百個太陽質量。很難想像第一個類星體的黑洞是由這麼小的種子長成的。
為了解決這個難題，十年前，我和一些同事提出了一種方法，讓質量足以解釋第一個類星體形成的種子黑洞能夠在沒有恆星誕生和死亡的情況下形成。相反，這些黑洞的種子可能是直接由氣體形成的。我們稱之為直接坍縮黑洞。在合適的環境下，直接坍縮黑洞可能在大爆炸後的幾億年內以104或105倍太陽質量誕生。有了這樣的領先優勢，它們可以很容易地增長到10^9或10^10個太陽質量，從而產生困擾天文學家近20年的古老類星體。
問題是這種情況是否真的發生了。幸運的是，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)將於2021年發射，我們應該能夠找到答案。
第一個「種子」
黑洞是一種神秘的天體，它的引力如此之大，以至於扭曲了時空，以至於光都無法逃逸。直到類星體的發現，我們才有證據證明它們是真實的物體，而不只是愛因斯坦廣義相對論所預言的數學奇聞。類星體能讓天文學家看到物質落入黑洞時發出的光。
大多數黑洞被認為是在非常大的恆星形成的時候形成的，這些恆星的質量大約是太陽質量的10倍，它們耗盡核燃料，開始冷卻，因此收縮。最終引力獲勝，恆星坍塌，引發災難性的超新星爆炸，留下一個黑洞。天文學家們傳統上認為，驅動第一批類星體的大多數黑洞也是這樣形成的。它們可能是由宇宙中第一批恆星(第三類恆星)的消亡而產生的。我們認為，這些恆星是在宇宙大爆炸後約2億年，原始氣體冷卻並碎裂時形成的。星族III的恆星可能比宇宙晚期誕生的恆星更大，這意味著它們可能留下了質量相當於數百個太陽質量的黑洞。這些恆星也可能形成密集的星團，所以很有可能它們死亡時產生的黑洞已經合併，產生了數千個太陽質量的黑洞。然而，即使是這麼大的黑洞，其質量也遠遠小於古代類星體所需的質量。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於2021年發射，如果存在直接坍縮黑洞的話，它將有足夠的能量來尋找證據。理論還表明，所謂的原始黑洞可能在宇宙歷史上出現得更早，當時時空可能在一個稱為膨脹的過程中呈指數級膨脹。原始黑洞可能是由宇宙密度的微小波動合併而成，然後隨著宇宙的膨脹而增長。然而，這些種子的質量只有10到100個太陽質量，這和第三種群的殘留物一樣存在問題。
作為對第一個類星體的解釋，黑洞種子形成的每一種途徑都有一個相同的問題：要創造出最早的類星體，種子必須在宇宙歷史的最初10億年裡長得異常快。我們對黑洞增長的了解告訴我們，這種情況極不可能發生。
供給黑洞
我們目前對物理學的理解表明，存在一個最優的進給速率，稱為愛丁頓速率，在這個速率下黑洞獲得質量的效率最高。以愛丁頓速度進食的黑洞將呈指數增長，質量大約每10^7年翻一番。要想長到10^9個太陽質量，一個10個太陽質量的黑洞種子必須以愛丁頓速率吞噬恆星和氣體10億年。很難解釋整個黑洞種群是如何持續如此高效地提供食物的。
實際上，如果第一個類星體是由第三種群的黑洞種子發育而來，它們的進食速度將不得不超過愛丁頓速率。從理論上講，在密度大、氣體豐富的環境中，在特殊情況下超過這個速率是可能的，這些條件可能在早期宇宙中就存在，但它們不會是普遍存在的，而且是短暫的。此外，異常快速的增長實際上會導致「窒息」，在這些超級愛丁頓事件中釋放的輻射可能會破壞甚至阻止質量流到黑洞上，阻止它的增長。考慮到這些限制，極端的盛宴似乎可以解釋一些反常類星體的存在，但它不能解釋所有被探測到的類星體的存在，除非我們目前對愛丁頓速率和黑洞進食過程的理解是錯誤的。
因此，我們一定想知道第一個黑洞的種子是否可以通過其他渠道形成。在其他幾個研究小組的基礎上，朱塞佩·洛達託發表了一系列論文，在這些論文中，我們提出了一種新的機制，可以從一開始就產生更大質量的黑洞種子。我們從巨大的、原始的氣盤開始，如果沒有這些氣盤，這些氣盤可能已經冷卻並碎裂，從而形成恆星和星系。我們證明，這些圓盤有可能繞過這個傳統過程，坍縮成密集的團塊，形成重達10^4到10^6倍太陽質量的種子黑洞。如果有什麼東西幹擾了導致恆星形成的正常冷卻過程，而導致整個圓盤變得不穩定，物質迅速匯集到中心，就會出現這種結果，就像當你拔掉塞子時，水從浴缸的排水管中流出一樣。
如果圓盤的氣體中含有某種分子氫(兩個氫原子結合在一起)，而不是只有一個原子組成的氫原子，圓盤的冷卻效率就會更高。但是，如果鄰近星系恆星的輻射擊中了這個圓盤，它會破壞氫分子並將其轉化為氫原子，從而抑制冷卻，使氣體溫度過高而無法形成恆星。如果沒有恆星，這個巨大的被輻射的圓盤可能會變得動態不穩定，物質會迅速地排入它的中心，迅速地推動一個巨大的、直接坍縮的黑洞的產生。因為這種情況依賴於附近恆星的存在。
大尺度氣體流動的模擬以及小尺度過程的物理模擬為DCBH的形成提供了支持。因此，非常大的初始種子的想法在早期宇宙中似乎是可行的。從這個範圍內的種子開始，可以緩解產生超大質量黑洞的時間問題。超大質量黑洞是最亮、最遠的類星體的動力來源。
尋找證據
但是僅僅因為DCBH種子是可行的並不意味著它們真的存在。為了找到答案，我們必須尋找觀測證據。這些天體將以明亮的微型類星體的形式出現，在早期宇宙中閃耀。它們應該可以在一個特殊的階段被探測到，當種子與母星系融合的時候——這個過程應該是普遍的，考慮到DCBHs可能是在環繞較大星系運行的衛星中形成的。合併將給黑洞種子提供豐富的新的氣體來源，所以黑洞應該開始快速增長。事實上，它會短暫地變成一種特殊的類星體，比星系中的所有恆星都要亮。
這些黑洞不僅比它們周圍的恆星更亮，而且會更重——這與通常的事物順序相反。一般來說，星系中的恆星比中心黑洞多1000倍。然而，在承載DCBH的星系與其母星系合併後，不斷增長的黑洞的質量將短暫超過恆星的質量。這樣一個被稱為肥胖黑洞星系(OBG)的天體應該具有非常特殊的光譜特徵，特別是在JWST的中紅外儀器(MIRI)和近紅外攝像機(NIRCam)將工作的1至30微米的紅外波長範圍內。這臺望遠鏡將是天文學家觀察宇宙歷史早期階段的最強大工具。如果望遠鏡探測到這些肥胖的黑洞星系，它將為我們的DCBH理論提供強有力的證據。另一方面，傳統的黑洞種子，來自於死去的恆星，可能太過微弱以至於JWST或其他望遠鏡無法觀測到。
我們也有可能為我們的理論找到其他證據。在罕見的情況下，與DCBH合併的母星系也有一個中心黑洞，這兩個黑洞會碰撞並釋放出強大的引力波。這些波可以被雷射幹涉儀太空天線(LISA)探測到，LISA是歐洲航天局/美國宇航局的一個任務，預計將在本世紀30年代發射。
更全面了解
完全有可能，DCBH場景和以超愛丁頓速率餵養的小種子都發生在宇宙早期。事實上，最初的黑洞種子可能是通過這兩種途徑形成的。問題是，天文學家看到的大部分明亮的古代類星體是由哪個通道產生的？解開這一謎題所能做的不僅僅是弄清早期宇宙的時間線。天文學家還想更廣泛地了解超大質量黑洞是如何影響它們周圍更大的星系的。
數據表明，中央黑洞可能在調節它們所居住的星系中有多少恆星形成方面發揮著重要作用。首先，當物質落入黑洞時產生的能量可能會加熱星系中心周圍的氣體，從而阻止冷卻和停止恆星的形成。這種能量甚至可能通過驅動能量外流在銀河系中心之外產生深遠的影響。我預言了幽靈般的陰影的存在，這些類星體的外流將會在1999年大爆炸遺留下來的輻射上留下印記；射電天文學家在2018年12月報告了第一次探測。這些風可能會加熱外層區域的氣體，並阻止那裡的恆星形成。然而，這些影響是複雜的，它們證實了我們目前對黑洞形成和成長的認識。發現第一個種子黑洞有助於揭示黑洞和它們的宿主星系之間的關係是如何隨著時間的推移而進化的。
這些見解與我們研究和理解所有黑洞質量的能力的更大變革相吻合。例如，當雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)在2015年首次探測到引力波時，科學家們能夠將它們追溯到兩個相互碰撞的黑洞，它們的質量分別為36和29倍太陽質量。這兩個黑洞是為類星體提供動力的超大質量黑洞的輕量級表親。該項目繼續探測來自類似事件的波，提供了關於這些黑洞碰撞並扭曲它們周圍時空時會發生什麼的新而令人難以置信的細節。
與此同時，一個名為「視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope)的項目即將報告它的第一個發現。該項目利用散布在地球周圍的射電天文臺，對銀河系中心的超大質量黑洞進行成像。科學家們希望在黑洞的邊界附近發現一個環狀陰影，廣義相對論預測，當黑洞的強引力使光線偏轉時，這種陰影就會發生。視界望遠鏡測量到的與廣義相對論預測的任何偏差都有可能挑戰我們對黑洞物理學的理解。此外，觀測脈衝星定時陣列的實驗也能探測到時空中的震動，這些震動是由黑洞多次碰撞累積的信號引起的。最終，JWST將為第一個照亮宇宙的黑洞打開一扇全新的窗戶。
在不久的將來，將會有許多新發現，我們對黑洞的理解也將發生改變。