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一個質量令人費解的黑洞：JWST的觀測揭示了宇宙黎明時一個成熟的類星體

黑洞


一個質量令人費解的黑洞：JWST的觀測揭示了宇宙黎明時一個成熟的類星體


藝術家對類星體明亮核心區域的印象 ， 類星體是一個活躍的星系 。中心的超大質量黑洞被一個明亮的氣體和塵埃盤包圍 。更遠的塵埃成分會遮擋內部的視野，主要照射在中紅外范圍內，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以分析這些光線 。一束束高能粒子束從黑洞附近垂直于圓盤突出到太空中 。來源：T.Müller/MPIA
據馬克斯·普朗克學會：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在宇宙的一個特別年輕的階段觀測到了一個星系 。回顧過去 ， 很明顯 ， 來自J1120+0641星系的光到達地球的時間幾乎與宇宙發展到今天的時間一樣長 。正如獨立測量所顯示的那樣，令人費解的是，當時位于其中心的黑洞的重量竟然超過了10億太陽質量 。研究結果發表在《自然天文學》雜志上 。
最近對黑洞附近物質的觀察本應揭示一種特別有效的進食機制，但他們沒有發現什么特別的東西 。這一結果更加不同尋常：這可能意味著天體物理學家對星系發展的了解比他們想象的要少 。然而，他們一點也不令人失望 。
宇宙歷史的前10億年提出了一個挑戰：已知星系中心最早的黑洞質量驚人地大 。它們是如何變得如此巨大、如此迅速的？這里描述的新觀測結果為反對一些擬議的解釋提供了有力的證據 ， 特別是反對最早黑洞的“超有效饋送模式” 。
超大質量黑洞增長的極限
恒星和星系在過去138億年中發生了巨大的變化，這是宇宙的生命周期 。星系通過消耗周圍的氣體或（偶爾）相互融合，變得越來越大，獲得了更多的質量 。很長一段時間以來，天文學家們一直認為星系中心的超大質量黑洞會隨著星系本身逐漸長大 。
但黑洞的增長不能任意快 。落在黑洞上的物質形成了一個旋轉的、熱的、明亮的“吸積盤” 。當這種情況發生在超大質量黑洞周圍時，其結果是一個活躍的星系核 。最亮的類星體是整個宇宙中最亮的天體之一 。但這種亮度限制了有多少物質可以落入黑洞：光施加壓力 ， 可以阻止更多的物質落入黑洞 。
黑洞是如何變得如此巨大、如此迅速的？
這就是為什么在過去的二十年里，天文學家們對遙遠的類星體的觀測揭示了非常年輕的黑洞，但這些黑洞的質量卻高達100億太陽質量，這讓他們感到驚訝 。光從遙遠的物體傳播到我們需要時間 ， 所以看遙遠的物體意味著看遙遠的過去 。我們看到了已知最遙遠的類星體，因為它們處于一個被稱為“宇宙黎明”的時代，距離大爆炸不到10億年 ， 當時第一批恒星和星系形成 。
解釋這些早期的大質量黑洞對當前的星系演化模型來說是一個相當大的挑戰 。難道早期黑洞在吸積氣體方面比現代黑洞效率高得多嗎？或者塵埃的存在會影響類星體質量的估計，使研究人員高估早期黑洞的質量嗎？目前有許多提議的解釋，但沒有一種被廣泛接受 。
仔細觀察早期黑洞的生長
要決定哪種解釋（如果有的話）是正確的，需要比以前更完整的類星體圖片 。隨著JWST太空望遠鏡，特別是該望遠鏡的中紅外儀器MIRI的出現 ， 天文學家研究遙遠類星體的能力發生了巨大的飛躍 。對于測量遙遠的類星體光譜，MIRI的靈敏度是以前任何儀器的4000倍 。
像MIRI這樣的儀器是由國際財團建造的，科學家、工程師和技術人員密切合作 。當然，財團對測試他們的儀器是否按計劃運行非常感興趣 。
作為建造儀器的回報，財團通常會有一定的觀測時間 。2019年 ， 在JWST發射的幾年前，MIRI歐洲聯盟決定利用這段時間觀測當時已知最遙遠的類星體 ， 一個名稱為J1120+0641的物體 。
觀測最早的黑洞之一
分析這些觀測結果的責任落在了莎拉·博斯曼博士身上，她是馬克斯·普朗克天文研究所（MPIA）的博士后研究員 ， 也是MIRI歐洲聯盟的成員 。MPIA對MIRI儀器的貢獻包括建造一些關鍵的內部部件 。博斯曼被要求加入MIRI的合作，專門為如何最好地使用該儀器研究早期宇宙 ， 特別是第一個超大質量黑洞提供專業知識 。
這些觀測是在2023年1月JWST的第一個觀測周期進行的，持續了大約兩個半小時 。它們構成了宇宙黎明時期對類星體的首次中紅外研究 ， 距離大爆炸（紅移z=7）僅7.7億年 。這些信息不是來自圖像，而是來自光譜：物體的光像彩虹一樣分解成不同波長的成分 。
伴塵和快速移動的氣體
中紅外光譜（“連續體”）的總體形狀編碼了典型類星體中圍繞吸積盤的大型塵埃環面的性質 。這個環面有助于將物質引導到吸積盤上 ， “喂養”黑洞 。
對于那些對早期大質量黑洞的首選解決方案在于替代快速增長模式的人來說，壞消息是：環面，以及這個非常早期的類星體中的饋送機制 ， 似乎與更現代的類星體相同 。唯一的區別是，沒有任何早期類星體快速生長的模型預測到：塵埃溫度略高，比在不太遙遠的類星體中發現的最熱塵埃的1300 K高出約100開爾文 。
光譜中波長較短的部分由吸積盤本身的發射所主導，這表明對于我們這些遙遠的觀察者來說，類星體的光并沒有被比平時更多的塵埃所暗淡 。也許我們只是因為額外的塵埃而高估了早期黑洞的質量 ， 這也不是解決問題的辦法 。
早期類星體“異常正常”
類星體的寬線區域，即氣體團以接近光速的速度圍繞黑洞運行的區域——這允許推斷黑洞質量、周圍物質的密度和電離——看起來也很正常 。從光譜中幾乎可以推斷出的所有性質來看，J1120+0641與后來的類星體沒有什么不同 。
博斯曼說：“總的來說，新的觀測結果只會增加神秘感：早期的類星體非常正常 。無論我們在哪個波長下觀測到它們，類星體在宇宙的所有時期都幾乎相同 。” 。當宇宙年齡僅為當前年齡的5%時，不僅超大質量黑洞本身，而且它們的進食機制顯然已經完全“成熟” 。
通過排除一些替代解決方案，研究結果有力地支持了這樣一種觀點，即超大質量黑洞從一開始就具有相當大的質量，用天文學的行話來說：它們是“原始的”或“種子大的” 。超大質量黑洞不是由早期恒星的殘余形成的，然后質量迅速增長 。它們一定是早期形成的，初始質量至少為十萬太陽質量，可能是通過早期巨大氣體云的坍塌形成的 。