银河系中心的一个超级谜。超大型 黑洞 是时空的巨大破裂，位于许多星系中间，在以近光速度吐出以塑造星系的发展方式之前，会定期吸收物质。
然而，它们如何变得如此巨大是天体物理学中普遍的谜团，从而使 詹姆斯·韦伯太空望远镜 （JWST）。自2022年上线以来，望远镜发现宇宙怪物是 令人震惊的丰富和庞大 大爆炸＆Mdash的几百万年内；这一发现违反了我们许多最佳模型，以实现黑洞的生长方式。
索菲·库德曼尼（Sophie Koudmani） 是剑桥大学的天体物理学家，正在寻找有关此问题的答案。现场科学在伦敦的新科学家现场活动中与她坐下来讨论宇宙怪物，它们的形成方式以及她如何使用超级计算机模拟它们的工作可以重写我们宇宙的历史。
本·特纳（Ben Turner）：为什么超级质量的黑洞对于理解我们的宇宙如此重要？
Sophie Koudmani： 在宇宙中，一切都连接在一起，超级质量的黑洞起着非常重要的作用。它们产生了来自黑洞周围地区的大量能量。随着气体的落入，其重力势能转化为辐射。这会使气体非常热，并且加热 它开始发光。
气体被加热到数百万度，然后其辐射会影响整个星系。它阻止气体团结在一起形成恒星，以产生逼真的星系很重要的方式暂停恒星形成。然后，[超级质量黑洞]的能量随后可以进一步走出来并影响 宇宙的大规模结构 ＆mdash;这对于宇宙学和理解宇宙进化非常重要。
BT： 因此，当您谈论向外流动的能量时，您指的是相对论的喷气机，或者是从某些黑洞中流出的近光速流出，对吗？
SK： 是的。黑洞有三种方式对他们的宿主星系“说”。一种是通过相对论的喷气机，另一种是通过积聚磁盘（旋转黑洞的气体，灰尘和等离子体的云状结构）散发出的风]＆mdash;这些不如喷气机＆mdash;然后是辐射。因此，通常磁盘从电磁频谱的其他部分散发出X射线和辐射。
BT：您已经谈到了这个，但是如果黑洞不存在，星系会是什么样？
SK： 因此，您可以获得的是通常所谓的“失控之星形成”。所有的气体都会很快消耗，您将获得星星。这不是星系的样子。为了获得磁盘星系（我们在宇宙中看到的），拥有某种黑洞确实很重要。您需要在气体和恒星之间获得现实的比例，而不会立即被它们食用。
BT：是什么吸引了您研究黑洞？您想回答哪些问题？
SK： 我真的很喜欢超级质量的黑洞，这似乎很简单，但是这种令人难以置信的丰富物理学脱颖而出。实际上，您可以用两个数字和mdash来表征黑洞；他们的质量和旋转＆mdash;这完全告诉您他们的行为，这就是所谓的“没有头发定理“从这两个数字中，您可以得到所有这些不同的可能性。例如，有些黑洞有喷气式飞机，而有些则没有，有些具有明亮的吸积磁盘，而另一些则完全安静。这是与星系的相互作用。
因此，这是一个简单的对象，可以非常强大。它与Galaxy＆Mdash相互作用可能很复杂且混乱。您会得到气体，灰尘，星星，所有这些都被深色物质束缚在一起，我们不太了解。所有这些组件以真正复杂的方式相互互动。
BT：有趣的是，您将它们描述为简单，因为在相对论物理学中，我们所有方程式都会崩溃以及我们可能想要寻找量子引力的理论。它们看起来只因为我们的理论是简单的吗？
SK： 这取决于您感兴趣的。如果您对活动内部发生的事情感兴趣，那么，是的，当然，奇异性是我们的理论分解的地方。我们不完全了解其他身体现象 鹰辐射，这实际上可能来自黑洞的内部。
如果您担心所有这些，是的，您的工作非常困难！但是，如果您正在考虑天体物理黑洞，那么您对黑洞周围的气流和辐射感兴趣。作为一名天体物理学家，您可以很乐意找到活动视野，看看它对周围的地区的作用，并对内部的事物相对不可知。地平线本身的位置由质量和自旋决定。
BT：JWST揭示了我们以前不知道的黑洞有哪些谜？
SK： 我们不知道会有 这么多超大的黑洞 这么早。它们以如此高的数量（在早期的宇宙）和非常小的星系中存在，这令人惊讶。
我的博士学位是在小星系中建模黑洞，很幸运，我碰巧正在努力，因为它与早期宇宙非常相关。JWST告诉我们，黑洞活动发生在很早就发生，并且在星系中发生的超出了想象的可能性。实际上，这项活动似乎比当今宇宙更有效。
BT：为什么会这样？
SK： 我们都知道宇宙扩张＆mdash;所以 大爆炸 发生，整个宇宙都扩展了＆mdash;这意味着，在宇宙的早期，一切都更加近一点，因此气体流入更强，这可能有助于喂黑洞。
一个问题是黑洞和超新星互相竞争。恒星形成和黑洞都消耗气体。黑洞将气体吹走，超新星也会吹走，超新星也从中部地区撤离了气体，然后黑洞无法生长，因为超新星已经踢出了所有的气体。可能是在早期的宇宙中，出于一个或另一个原因，这并没有发生那么多，而黑洞在此过程中就赢得了。
实际上，有一个强烈的暗示，即黑洞在早期的宇宙中赢得了胜利。这几乎表明，由于这些黑洞的巨大程度，黑洞比宿主星系更快。
BT：您还提到了黑洞效率。这是什么意思，黑洞如何具有效率？
SK： 有多种方式。一种方法是，当他们吸气时，它是多么高的积聚[积聚磁盘增长的速度]？有一个称为黑洞速度限制的东西称为爱丁顿限制。我们经常将其作为理论上极限的一小部分测量，即黑洞通过吸气而生长多少。对于通过JWST测量的某些对象，效率超过100％＆mdash;因此，它们确实非常有效。
这也意味着这不是一个硬限制，并且总有一些理论和假设，其中一些假设可能是错误的。实际上，韦伯向我们表明，在这些情况下，它们显然是错误的，因为它们设法打破了极限并更快地增长。
BT：那么，随着我们进入宇宙的后期，当地宇宙的后期，这种效率为什么会降低呢？
SK： 因此，如果您有更多的恒星形成，那么周围的气体却很少。因此，星系可能会逐渐变得越来越贫穷，其中有些在其他地方被弹出，有些变成了恒星，有些变成了黑洞。非常古老的星系通常由恒星（所谓的椭圆星系）主导。
BT：首先，黑洞如何生长？有三个关键方法，对吗？带我们通过他们。
SK： 因此，第一个是对第一代恒星。因此，这些本来比我们的太阳更大得多，大约是其质量的100倍。当这些结束并崩溃时，他们崩溃了。这可能是（对于超级质量黑洞）的一个很好的起点，也可能是一个具有挑战性的起点，因为我们从100（太阳能团体）开始，我们希望达到100万。
一个容易得多的起点将是巨大的气云。它们直接塌陷成黑色的孔，它们的开始是太阳质量的100,000倍，这使得进入超级质量黑洞[质量尺度]变得更加容易。然后是一个中间的场景，称为核星簇，那里有很多星星在星系中心产卵，它们倒入黑洞。
BT：还有另一种选择，假设的原始黑洞＆mdash;从大爆炸之前的一段时间开始可能的文物。这是一个非常超过的理论，我们看到了很多证据吗？
SK： 这是一个非常超过的理论。我们对此有更多的限制，而且肯定没有排除在外。我认为现在这个问题令人兴奋的是什么都没有排除在外。随着我们将这些黑洞形成的时间越来越近，限制变得更加紧密。
BT：我们怎么能最终排除它？这些约束是什么？
SK： 有人说，既然我们在宇宙的早期就发现了巨大的黑洞，这意味着他们必须从直接崩溃中形成。有几篇论文表明，观察结果证明了这一点。
但是我们现在正在做的是，我们正在修改模型，以了解早期宇宙中黑洞的生长方式，以查看其他模型是否还有其他选择。尤其是如果黑洞有效地生长，仍然有足够的时间使它们从非常淡的种子中生长出来。因此，我现在想说的是，令人兴奋的是，没有任何模型被排除在外。
BT：那么我们如何寻找答案？我们已经提到了JWST较早和更早的黑洞，我们是否正在探索其他途径来找到答案？
SK： 一种非常酷的方法是引力波。[检测它们]将使我们能够以完全不同的方式绘制超大型黑洞人口。因为现在，除非一个黑洞非常接近我们，并且我们可以绘制出这些出色的轨道，否则发现超大质量黑洞的唯一方法是它们处于活跃阶段。
但是，当我们拥有可以发现超大质量黑洞合并的引力波仪器时，我们将拥有第二个通道，这将有助于我们估计其质量。这将回到早期的宇宙，因为这些乐器将非常敏感。然后，我们可以发现合并信号，并找到可行的机制以实现其生长。
BT：您的工作正在使用模拟发现可能的增长途径。他们如何帮助我们找到答案？
SK： 这是观察和仿真之间的恒定相互作用。因此，一个观察结果，例如早期的超级质量黑洞，为我们提供了一些解释。这意味着我们可能需要调整模型以尽早允许这种增长。然后，这些模拟帮助我们知道要寻找什么，当这些观察结果回来时，我们可以再次调整模型。
我与观察员非常紧密地合作，我是JWST的大型计划的一部分，该计划将在明年进行观察，并在其婴儿期对这些超大型黑洞进行跟进，以更好地了解它们。
BT：因此，最后，您最兴奋的是针对黑洞的新研究领域？
SK： 我对 重力波检测器丽莎 那 将在2030年代上网 然后，我们最终能够不仅要从小黑洞和超级黑洞中测量引力波。您需要在太空中做到这一点。
在编码和构建模型方面，我也很讨厌，所以我也对技术开发感到兴奋。当然，一个非常有趣的例子是AI。
我们正在使用AI来加速模拟，使它们更加准确，并尝试从宇宙网的巨大空间桥接到活动视野。这是不可能直接做的事情，因为即使是最大，最好的超级计算机的计算资源都太密集了，但是我们可以使用AI来开发解决方案。
编者注：为了清楚起见，这次采访已被凝结和编辑。
