哈勃望远镜发现“超大质量黑洞的祖先”:诞生于大爆炸后不久

2022/4/15 10:45:02 来源:新浪科技 作者:任天 责编:潇公子

北京时间 4 月 15 日消息,据国外媒体报道,在近期的一项研究中,来自丹麦哥本哈根大学等机构的天文学家确定了一个“超大质量黑洞的祖先”,其诞生时间是在 138 亿年前的宇宙大爆炸后不久。

遥远的物体:天文学家相信他们已经确定了一个“超大质量黑洞的祖先”(想象图),诞生于宇宙大爆炸后不久

此前的模拟研究表明,这样的物体是存在的,但天文学家表示,这是第一次实质性的发现。这个遥远天体的性质介于星系和类星体之间,是天文学家用哈勃太空望远镜发现的。作为一台标志性的空间望远镜,哈勃望远镜于 1990 年发射之后,已经成为人类天文史上最重要的太空探测仪器。它不受天气变化和空气污染的影响,可以比地面上的望远镜看得更远,能更深入地观察宇宙深处。

在天文学中,“看得更远”意味着能够观察到发生在宇宙更早期的现象,由这些现象发出的光和其他类型的辐射会经历更长时间的传播,才能被我们探测到。

一个国际天体物理学家团队发现的这个物体将两个罕见的天体群 —— 充斥尘埃的星暴和异常明亮的类星体 —— 联系了起来,从而为理解早期宇宙中超大质量黑洞的快速成长提供了新的途径。

这个新发现的天体被研究团队命名为 GNz7q,诞生于宇宙大爆炸后 7.5 亿年,而大爆炸通常被认为是目前所知宇宙的开端。宇宙大爆炸发生在 138 亿年前,而 GNz7q 诞生的时期被称为“宇宙黎明”(Cosmic Dawn)。

新发现的物体被研究人员命名为GNz7q,在这张哈勃-大天文台溯源深空巡天北天场(Hubble GOODS North)图像中处于中心位置

▲ 新发现的物体被研究人员命名为 GNz7q,在这张哈勃-大天文台溯源深空巡天北天场(Hubble GOODS North)图像中处于中心位置

GNz7q 的发现与一种特殊类型的类星体有关。科学家认为,类星体是一类极度明亮的活动星系核,而从活动星系核发出的辐射是由宿主星系中央的超大质量黑洞物质吸积产生的。哈勃太空望远镜和其他先进望远镜拍摄的图像显示,类星体就出现在星系的中心。

GNz7q 的宿主星系是一个恒星形成非常活跃的星系,其孕育恒星的速度比银河系快 1600 倍。这些恒星反过来会产生并加热宇宙尘埃,使其发出红外辐射;这些辐射极为强烈,以至于 GNz7q 的宿主星系比宇宙黎明时期其他任何已知天体都更加明亮。

近年来,天文学家发现,明亮的类星体是由超大质量黑洞提供能量的,这些黑洞的质量在太阳质量的数百万倍到数百亿倍之间,其周围环绕着大量气体。当气体落向黑洞时,会因为摩擦力而导致升温,从而产生强烈的发光效应。

理解超大质量黑洞如何在早期宇宙中形成和成长,已经成为一个重大的谜题。理论学家曾预测,这些黑洞会经历一个快速成长的早期阶段:一个由尘埃红化的致密物体从一个被尘埃遮蔽的星暴星系中显露出来,然后通过驱逐周围的气体和尘埃,逐渐成为一个不被遮蔽的发光致密物体。

尽管已有研究发现明亮的类星体存在于宇宙的最初阶段,但在类似的时期却没有发现黑洞及其星暴宿主快速成长的过渡阶段。此外,已观测到的 GNz7q 特征与理论模拟非常吻合,表明这是充满尘埃的恒星核心向黑洞转变并快速成长的第一个例子,这个物体是后来超大质量黑洞的祖先。

有趣的是,GNz7q 是在一个被广泛研究的天空区域的中心被发现的,这个区域被称为“哈勃-大天文台溯源深空巡天北天场”(Hubble GOODS North)。这表明,重大发现往往就隐藏在你的面前。

目前,研究小组希望在美国国家航空航天局(NASA)新发射的詹姆斯・韦伯太空望远镜的帮助下,寻找类似 GNz7q 的物体。借助詹姆斯・韦伯望远镜,科学家有可能完全确定这些物体的特征,并更详细地探索它们的演变和潜在的物理现象。一旦进入常规运行状态,詹姆斯・韦伯望远镜将有能力取得决定性的探测结果,确定这些快速成长的黑洞究竟有多普遍。

拥有强大引力的黑洞

黑洞密度如此之大,它们的引力如此之强,以至于任何形式的辐射(包括光)都无法逃脱。在宇宙中,黑洞是强大的引力源,可以将周围的尘埃和气体吸走。天文学家认为,黑洞强大的引力维系了星系中恒星运行的轨道。

黑洞是如何形成的,我们仍然知之甚少。天文学家认为,它们最早可能是由一团比太阳大 10 万倍的巨大气体云坍缩而形成的黑洞“种子”。许多这样的“种子”会合并形成更大的超大质量黑洞。在每个已知的大质量星系的中心,天文学家都发现了超大质量黑洞的存在。

另一种说法是,超大质量黑洞的“种子”可能来自一颗巨大的恒星,其质量大约是太阳的 100 倍,在耗尽燃料并坍塌后最终形成一个黑洞。当这些巨型恒星死亡时,它们也可能变成“超新星”,这是一场巨大的爆炸,会将恒星外层的物质抛射到深空。

什么是类星体?

类星体(Quasar)是“类恒星射电源”(quasi-stellar radio source)的缩写,描述的是明亮的活动星系核。所有已知星系的中心都有一个超大质量黑洞。当流入黑洞的气体和尘埃达到一定水平时,就可能导致“类星体”的形成:在黑洞的强大引力作用下,其附近的尘埃、气体和一部分恒星物质围绕在黑洞周围,形成高速旋转的巨大吸积盘;当吸积盘内侧物质落入黑洞时,能量就会以电磁辐射的形式释放出来,光度可以达到普通星系(如银河系)的数千倍。

类星体通常有 3260 光年宽,但平均只存在 1000 万年到 1 亿年,这使得它们在几十亿年的星系中相对难以被发现。快速旋转的吸积盘喷射出的粒子会以接近光速的速度向外移动,驱动着这些高能“引擎”发出极度明亮的光和无线电波。

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关键词:黑洞哈勃望远镜

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