詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡看到一個古老的黑洞與碰撞的星系共舞 _太空

超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動類星體的圖示。插圖顯示了PJ308-21系統(tǒng)中氫（紅色和藍(lán)色）和氧（綠色）的線發(fā)射圖，該圖顯示了遮蔽中心類星體（QSO）的光后的情況。（圖片來源：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大航天局、約瑟夫·奧姆斯特德（STScI）/Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
據(jù)美國生活科學(xué)網(wǎng)站（Robert Lea）：天文學(xué)家利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）觀測到超大質(zhì)量黑洞和兩個衛(wèi)星星系之間戲劇性的“舞蹈” 。這些觀測可以幫助科學(xué)家更好地了解星系和超大質(zhì)量黑洞在早期宇宙中是如何生長的。
這個特殊的超大質(zhì)量黑洞以周圍的物質(zhì)為食，并為一個如此遙遠(yuǎn)的明亮類星體提供能量，以至于JWST認(rèn)為它在大爆炸后不到十億年。這顆名為PJ308-21的類星體位于一個正在與兩個大質(zhì)量衛(wèi)星星系合并的星系中的活動星系核（AGN）內(nèi) 。
該團(tuán)隊(duì)不僅確定了黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于20億個太陽，而且他們還發(fā)現(xiàn)，參與這次合并的類星體和星系都是高度進(jìn)化的，考慮到它們在13.8歲的宇宙還是嬰兒時就存在，這是一個驚喜。
這三個星系的合并可能會向超大質(zhì)量黑洞輸送大量的氣體和塵埃，這將促進(jìn)其生長，并使其能夠繼續(xù)為PJ308-21提供動力。
意大利國家天體物理研究所（INAF）研究員、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人羅伯托·德卡利在一份聲明中表示：“我們的研究表明，在宇宙歷史的頭十億年里，高紅移（早期和遙遠(yuǎn)）類星體中心的黑洞以及容納它們的星系都經(jīng)歷了極其高效和動蕩的增長，這得益于形成這些源的豐富的星系環(huán)境。” 。
這些數(shù)據(jù)是由JWST的近紅外光譜儀（NIRSpec）于2022年9月收集的，作為1554計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃旨在觀察PJ308-21所在星系與其兩個衛(wèi)星星系之間的合并。
Decarli補(bǔ)充說，這項(xiàng)工作對團(tuán)隊(duì)來說是一個真正的“情感過山車”，他們開發(fā)了創(chuàng)新的解決方案來克服數(shù)據(jù)縮減的最初困難，并生成每像素不確定性小于1%的圖像。

PJ308-21系統(tǒng)中電離氧發(fā)射的地圖，用JWST觀測到，顯示了該系統(tǒng)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和類星體周圍衛(wèi)星星系的“宇宙之舞” 。（圖片來源：Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
一個非常金屬的類星體
當(dāng)位于星系中心的質(zhì)量是太陽數(shù)百萬或數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞被大量氣體和塵埃包圍時，類星體就誕生了。這種物質(zhì)形成了一個扁平的云，稱為吸積盤，它圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)并逐漸為其提供能量。
黑洞的巨大引力在這個吸積盤中產(chǎn)生了強(qiáng)大的潮汐力，將這種氣體和塵埃加熱到高達(dá)120000華氏度（67000攝氏度）的溫度。這導(dǎo)致吸積盤在電磁波譜中發(fā)光。這種發(fā)射通常比周圍星系中每顆恒星的組合光都亮，使PJ308-21等類星體成為宇宙中最亮的物體之一。
雖然黑洞沒有可以用來確定它們是如何進(jìn)化的特征，但它們的吸積盤（以及類星體）有。事實(shí)上，星系也可以以同樣的方式“老化” 。

藝術(shù)家對超大質(zhì)量黑洞及其吸積盤的印象。（圖片來源：S.Dagnello（NRAO/AUI/NSF））
早期的宇宙充滿了氫，這是最輕、最簡單的元素，還有一點(diǎn)氦。這形成了第一批恒星和星系的基礎(chǔ) ，但在這些恒星體的生命周期中，它們鍛造了比氫和氦重的元素，天文學(xué)家稱之為“金屬”
當(dāng)這些恒星在巨大的超新星爆炸中結(jié)束生命時，這些金屬分散在它們的星系中，并繼續(xù)成為下一代恒星的基石。在這個過程中，恒星和星系逐漸“富含金屬”
研究小組發(fā)現(xiàn) ，與大多數(shù)活動星系核一樣，PJ308-21的活躍心臟富含金屬，其周圍的氣體和塵埃正在被“光電離” 。這是光粒子（稱為光子）提供電子逃離原子所需的能量，從而產(chǎn)生帶電離子的過程。

PJ308-21系統(tǒng)中氫（紅色和藍(lán)色）和氧（綠色）的線發(fā)射圖，顯示了遮蔽中心類星體（QSO）的光后的情況。這張圖中類星體的宿主星系和伴星系的不同顏色揭示了它們內(nèi)部氣體的條件和物理性質(zhì) 。（圖片來源：Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
與宿主星系PJ308-21合并的星系之一也富含金屬，其物質(zhì)也被類星體的電磁輻射部分光電離。
第二個衛(wèi)星星系也發(fā)生了光電離，但在這種情況下，它是由一輪快速恒星形成引起的。這第二個星系也不同于第一個星系和AGN，因?yàn)樗坪跏墙饘儇毞Φ?。
“多虧了NIRSpec，我們第一次可以在PJ308-21系統(tǒng)中研究富含關(guān)于類星體所在星系和周圍星系中黑洞附近氣體特性的寶貴診斷數(shù)據(jù)的光學(xué)帶，”團(tuán)隊(duì)成員兼INAF天體物理學(xué)家Federica Loiacono說。“例如，我們可以看到氫原子的排放，并將其與恒星產(chǎn)生的化學(xué)元素的排放進(jìn)行比較，以確定氣體中金屬的含量。”
盡管光離開這個早期宇宙類星體的電磁波譜范圍很廣，包括光學(xué)光和X射線，但觀察它的唯一方法是紅外。
這是因?yàn)?nbsp;，隨著光傳播了120多億年才到達(dá)JWST，宇宙的膨脹大大“拉伸”了它的波長。這會使光向電磁波譜的“紅端”方向“移動”，這種現(xiàn)象可以理解地稱為“紅移”，天文學(xué)家將其表示為“z” 。
JWST擅長觀察像PJ308-21這樣的“高紅移”或“高z”物體和事件，因?yàn)樗鼘t外光敏感。
Loiacono總結(jié)道：“由于JWST在近紅外和中紅外波段的靈敏度，有可能在遙遠(yuǎn)的宇宙中以前所未有的精度研究類星體和伴星系的光譜。” 。“只有JWST提供的優(yōu)秀‘視圖’才能確保這些觀察結(jié)果。”
該團(tuán)隊(duì)的研究于2024年6月被《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志接受發(fā)表。

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