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詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中看到孤独的超大质量黑洞驱动的类星体

2024-10-25 17:11阅读：

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詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中看到孤独的超大质量黑洞驱动的类星体
By Robert Lea
published 9 hours ago
Black Holes
“如果这些类星体出现没有任何来吃食的它们如何已经生长如此之大是难来解释的” 。
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詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中看到孤独的超大质量黑洞驱动的类星体

由詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中看到的一个古
老的超大质量黑洞驱动的类星体的图像。(Image credit: Christina Eilers/EIGER team)
用詹姆斯韦伯太空望远镜，天文学家们已经窥视回130亿年来发现令人惊讶的孤独超大质量黑洞驱动的类星体。
詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的观测结果正在困惑人，因为孤立的黑洞应该挣扎来集聚足够的质量达到超大质量地位，尤其是在大爆炸后刚刚几亿年。当到一些黑洞如何当宇宙不到十亿岁老时成长到相当于数百万个甚至数十亿个太阳的质量时这一发现进一步淆混这个水。
这一发现是在一组科学家用詹姆斯韦伯太空望远镜来研究五个已知最早的类星体的环境后得出的，这些类星体当宇宙6亿岁至7亿岁之间形成。研究小组发现这些被称为“类星体场”的类星体的环境被令人惊讶的变化。有些是科学家预测的密集的环境，但另一些是会挣扎来喂食超大质量黑洞生长的稀少群的“空的藏室”。
麻省理工学院物理学助理教授安娜（Anna-Christina Eilers）在一份声明中说，“与之前的信念相反，我们发现平均而言这些类星体不一定位于早期宇宙的密度最高的区域。其中一些类星体似乎正坐在不是地方的中间，如果这些类星体出现没有任何食物来喂食它它们如何已经生长如此之大是难来解释的” 。
类星体需要满仓
超大质量黑洞据信潜伏在相对现代宇宙中所有大星系的中心。因为没有一颗恒星大的足以来坍塌和没有有如此巨大质量的黑洞，科学家们知道超大质量黑洞一定不是以所谓的质量是太阳的10到100倍的“恒星质量黑洞” 不一样的方式形成，从大质量恒星的死亡出生的。
模型提示超大质量黑洞可能通过越来越大的黑洞的渐进合并生长——然而问题是这个过程应该要用超过10亿年。然而詹姆斯韦伯太空望远镜正在看到以更少时间形成的超大质量黑洞。
来看到这些超大质量黑洞是可能的，因为它们位于从中它们吃食的叫活动星系核（AGN）的湍流富含气体的立即环境中。这也促进它们的成长。在这些环境中巨大的黑洞质量造成围绕它们明亮的发光的气体和尘埃扁平云往往外照它们星系中每颗恒星的结合了的光。这种光比太阳更亮数万亿倍，表明一个类星体。
然而超大质量黑洞需要一种“输送服务”来保持它们的立即周围环境很好储藏有气体和尘埃来取得这种令人难以置信的光度。
安娜说 “我们现在有一台能如此详细地捕捉来自130亿年前光的望远镜这只是一种现象，詹姆斯韦伯太空望远镜首次使我们能够观察这些类星体的环境，在哪里它们长大以及它们的邻居看起来是什么样子” 。

詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中看到孤独的超大质量黑洞驱动的类星体
一幅插图显示一个由超大质量黑洞驱动的类星体。(Image credit: NASA/JPL–Caltech)
为调查类星体的更广泛环境，该团队选择了由詹姆斯韦伯太空望远镜在2022年8月至2023年6月期间研究的五个超大质量黑洞驱动区域。这需要将多张图像“缝在一起”来为每个超大质量黑洞邻域创建一个类星体场马赛克。
通过处理图像中的多个波长的光，来确定光是否来自类星体的邻近星系并测量该星系在明亮的中心类星体中多远距离起源也是可能的。
安娜说，“我们发现了这五个类星体之间唯一区别是它们的环境看起来如此不同，例如一个类星体周围有近50个星系，而另一个只有两个。这两个类星体是在宇宙的大小、体积、亮度和时间内”。
“这真的正在令人惊讶” 。
早期的超大质量黑洞有“突增长”吗
该团队的发现挑战超大质量黑洞生长甚至整个星系形成的想法。目前的理解是这种进化被一个巨大的暗物质“宇宙之网”引导，暗物质约占所有物质的85%，但对我们仍然是不可见的。
宇宙网中的暗物质细丝引导了早期宇宙中的气体和尘埃，沿着它的巨大的卷须吸引原始物质。在这个宇宙网的链相遇的地方，物质的过密区域积累了。在这里早期的星系被建造，第一批类星体应该被发现。

詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中看到孤独的超大质量黑洞驱动的类星体
一个有一个类星体心脏生长在“宇宙网”细丝相遇地方的星系的描画。(Image credit: Robert Lea (created with canva))
莱顿大学研究生、团队负责人艾丽娅（Elia Pizzati）在声明中说，“暗物质的宇宙网是我们的宇宙模型的一个牢固预测，它能被用数值仿真详细描述。通过将我们的观测结果与这些仿真结果比较，我们能确定类星体在宇宙网中何处” 。
位于宇宙网中这些节点的超大质量黑洞应该经由由宇宙网提供的气体和尘埃的稳定和快速吸积生长，就像一个星系的格鲁布中心一样——这将允许类星体取得怪物的质量和极端的亮度——但科学家们仍然需要知道这如何在宇宙历史的早期发生。
安娜说，“我们试图回答的主要问题是当宇宙还真的真的年轻时这些十亿个太阳质量的黑洞如何形成的？它还处在它的幼儿阶段”。
不幸的是这项研究出现已经提出了比回答更多的问题，那些已经困扰科学家的问题。贫瘠的社区似乎标记一个暗物质和宇宙网络节点的过密的缺乏。如果是这种情况，目前的生长机制理论不能解释这些类星体。
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这个秘密的一个潜在解决方案是这些早期类星体实际上被宇宙尘埃包围，因此是不可见的。该团队现在打算“调整”他们的这些潜在空的类星体场的观测来发现任何这样被笼罩的星系。
安娜总结道，“我们的结果表明仍然有一个这些超大质量黑洞如何生长缺失的谜题的重要证据，如果周围没有足够的物质让一些类星体能够持续的生长，这意味着一定有其他它们能生长我们还没弄清楚的方式” 。
该团队的研究于10月17日发表在The Astrophysical Journal上
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