新理论：早期超大质量恒星能否揭开宇宙之谜？

当前的宇宙学标准模型（ΛCDM）正面临多重观测数据的挑战，包括宇宙膨胀率的测算差异、暗能量可能在演化的迹象，以及早期超大质量黑洞的起源之谜。为应对这些难题，一种新理论提出宇宙早期存在一批超大质量的“III.1型”恒星。这些恒星能产生大量光子，并直接坍缩成巨大的黑洞种子，这不仅解释了韦伯望远镜观测到的早期宇宙现象，还可能一并解决哈勃常数张力等多个核心宇宙学谜题。

宇宙学标准模型的困境

自20世纪90年代末以来，ΛCDM模型一直是描述宇宙的主流理论。它描绘了宇宙从大爆炸开始，经历膨胀、冷却，并由暗物质和暗能量主导，最终形成我们今天看到的星系、恒星和黑洞。

然而，近年来多项观测结果共同指向一个矛盾的图景，暗示ΛCDM模型可能并不完整。

• 宇宙微波背景辐射 (CMB) 数据： 指示了一个较低的宇宙膨胀率（约 67 km/s/Mpc）。
• 超新星等远距离指标： 指向一个更高的膨胀率（约 73 km/s/Mpc）。
• 大尺度结构数据： 指出暗能量可能正在随时间减弱，并得出了不符合物理现实的“负中微子质量”推论。
• 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 数据： 发现了在宇宙极早期就已存在的、质量异常巨大的黑洞，其形成速度远超传统恒星演化理论的解释。

这些观测数据之间的紧张关系表明，我们现有的理论和所有观测结果无法同时成立。

早期超大质量黑洞的起源难题

JWST在早期宇宙中发现的“小红点”星系，许多都包含着与其宿主星系相比质量异常巨大的黑洞。如何解释这些庞然大物在宇宙诞生后短短几亿年内就已形成，是当前宇宙学的一大难题。

一些现有的解释及其局限性包括：

• 直接坍缩模型： 理论上，早期宇宙中的冷气体流可以直接引力坍缩形成黑洞种子。但模拟显示，这种方式产生的黑洞种子质量上限约为几万个太阳质量，仍然小于观测所暗示的约十万太阳质量的种子。此外，该模型预测会产生一系列不同质量的黑洞，而观测似乎指向一个质量相似的种子群体。
• 第一代恒星： 由宇宙最原始物质形成的第一代恒星（III型星）质量上限约为1000个太阳质量，它们死亡后形成的黑洞种子太小，无法在短时间内成长为观测到的超大质量黑洞。
• 原初黑洞： 认为黑洞是在大爆炸后不久直接形成的。这个想法虽然无法被排除，但它缺乏坚实的物理机制支撑，更像是一种为解释观测而进行的“特设”。

这些方案都无法有效解释黑洞的质量和数量，也未能缓解哈勃常数张力等其他宇宙学难题。

新理论：“III.1型”恒星与“闪光”时代

为了解决上述所有问题，Jonathan Tan教授提出了一个新颖的理论：在宇宙诞生后约1亿至1.8亿年间，存在一个短暂的“闪光”（The Flash）时代。

在这个时期，诞生了一批特殊的恒星，被称为 III.1型恒星。

• 形成机制： 这一理论假设暗物质并非完全不相互作用。在早期的暗物质晕中，暗物质的自相互作用或湮灭可以为原恒星提供额外“热源”，使其能够持续吸积物质而不提前坍缩，最终成长为质量高达十万至一百万太阳质量的巨型恒星。
• 最终命运： 这些超大质量恒星的内部会因产生电子-正电子对而变得不稳定，最终直接坍缩成一个与其自身质量相当的巨大黑洞种子。

这个过程不仅能完美解释JWST观测到的早期超大质量黑洞的起源，即它们都源于一批质量相似的巨大种子，还带了其他深远的影响。

一举多得的解决方案？

“III.1型”恒星理论的吸引力在于，它可能同时解开多个看似无关的宇宙学谜题。

这些超大质量恒星在坍缩前会释放巨量光子，导致宇宙在极早期经历一次短暂而剧烈的电离过程。这次额外的电离会增加宇宙的光学深度 (τ)——一个衡量光子与自由电子相互作用程度的参数。

• 解决宇宙学张力： 多项独立研究表明，如果宇宙的真实光学深度比目前普朗克卫星测量的数值（τ ≈ 0.054）更高（达到 τ ≈ 0.09 左右），那么哈勃常数张力、暗能量演化迹象和负中微子质量等难题都可能得到缓解。
• 可检验的预言： “闪光”电离模型预测的光学深度恰好落在这个可以解决问题的数值范围内。

这意味着，一个解释早期黑洞起源的单一物理过程，或许正是解开现代宇宙学多个核心矛盾的关键。

未来的验证之路

这一理论并非空想，它提出了一系列未来可以检验的观测信号。最关键的验证将依赖于对宇宙微波背景辐射更精确的测量，特别是对其偏振信号的分析。

历史上，对光学深度的测量曾因对银河系前景信号的扣除不准而出现过偏差。如果普朗克卫星的数据也存在类似的微小系统误差，那么一个更高的光学深度值是完全可能的。

最终，我们需要通过更先进的观测数据来检验这一大胆的设想。无论是主流理论还是另类想法，只有通过与宇宙自身的直接“对话”，我们才能不断接近真相。