韦伯望远镜探测到最遥远的活跃超大质量黑洞

研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)发现了迄今为止最遥远的活跃超大质量黑洞。CEERS 1019 星系在大爆炸后大约存在 5.7 亿年，其黑洞的质量比早期宇宙中已发现的任何其他黑洞都要小。

除了CEERS 1019中的黑洞之外，研究人员还发现了另外两个黑洞，它们位于较小的一侧，分别存在于大爆炸后10亿年和11亿年。JWST 还发现了宇宙 4.7 亿至 6.75 亿岁时存在的 11 个星系。这些证据是由德克萨斯大学奥斯汀分校天文学教授 Steven Finkelstein 领导的JWST宇宙演化早期发布科学 (CEERS) 调查提供的。该计划结合了 JWST 高度详细的近透视 和中透视 图像以及光谱数据，所有这些数据都用于做出这些发现。

“用这台望远镜观察这个遥远的物体很像观察我们附近星系中黑洞的数据，”最近获得博士学位的丽贝卡·拉尔森说。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究生，他领导了这项研究。“有这么多谱线需要分析!”

该团队已在《天体物理学杂志快报》特别版的几篇初始论文中发表了这些结果。

CEERS 1019 之所以引人注目，不仅因为它存在的时间久远，还因为它的黑洞重量相对较小。它的质量约为 900 万个太阳质量，远低于早期宇宙中也存在并被其他望远镜探测到的其他黑洞。这些庞然大物的质量通常超过太阳的 10 亿倍，而且它们更容易被发现，因为它们更亮。CEERS 1019内的黑洞更像是我们银河系中心的黑洞，其质量是太阳的460万倍。

尽管较小，但这个黑洞存在的时间太早了，以至于仍然很难解释它是如何在宇宙开始后这么快就形成的。研究人员早就知道，较小的黑洞一定在宇宙的早期就已经存在，但直到 JWST 开始观测，他们才能够做出明确的探测。

研究小组不仅可以弄清楚光谱中哪些发射来自黑洞，哪些发射来自其宿主星系，他们还可以查明黑洞正在吸收多少气体，并确定其星系的恒星形成率。

研究小组发现这个星系正在吸收尽可能多的气体，同时也产生新的恒星。他们通过图像来探究其中的原因。从视觉上看，CEERS 1019 显示为三个明亮的团块，而不是单个圆盘。

“我们不习惯在这么远的距离看到如此多的图像结构，”CEERS 团队成员、纽约罗切斯特理工学院天文学副教授 Jeyhan Kartaltepe 说。“星系合并可能在一定程度上加剧了该星系黑洞的活动，这也可能导致恒星形成的增加。”

这些只是 CEERS 调查的第一个突破性发现。

“到目前为止，对早期宇宙物体的研究主要是理论上的，”芬克尔斯坦说。“有了韦伯，我们不仅可以看到极远距离的黑洞和星系，现在还可以开始精确测量它们。这就是这台望远镜的巨大力量。”

未来，詹姆斯韦伯太空望远镜的数据也有可能被用来解释早期黑洞是如何形成的，从而修正研究人员关于黑洞在宇宙历史的最初几亿年中如何生长和演化的模型。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是由宇航局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一项国际计划。

更遥远的黑洞和星系

CEERS 调查范围广泛，还有更多值得探索的内容。缅因州沃特维尔科尔比学院的团队成员戴尔·科切夫斯基和团队很快在数据中发现了另一对小黑洞。第一个位于星系 CEERS 2782 内，最容易辨认出来。没有任何尘埃遮挡 JWST 的视野，因此研究人员可以立即确定它的黑洞在宇宙历史中何时存在——仅在大爆炸后 11 亿年。第二个黑洞位于星系 CEERS 746 中，存在时间稍早一些，即大爆炸后 10 亿年。它明亮的吸积盘是一个由气体和尘埃组成的环，环绕着它的超大质量黑洞，但仍然部分被尘埃覆盖。

科切夫斯基解释说：“中心黑洞是可见的，但尘埃的存在表明它可能位于一个也在猛烈地喷出恒星的星系内。”

与 CEERS 1019 中的黑洞一样，另外两个新描述的黑洞(位于星系 CEERS 2782 和 CEERS 746 中)也是“轻量级”的——至少与之前已知的这些距离的超大质量黑洞相比是这样。它们的质量大约只有太阳的1000万倍。

“研究人员早就知道早期宇宙中一定存在质量较低的黑洞。韦伯是第一个能够如此清晰地捕捉到它们的天文台，”科切夫斯基说。“现在我们认为质量较低的黑洞可能遍布各处，等待被发现。”

在《JWST》之前，这三个黑洞都太微弱而无法被探测到。

“使用其他望远镜，这些目标看起来就像普通的恒星形成星系，而不是活跃的超大质量黑洞，”芬克尔斯坦补充道。

詹姆斯韦伯太空望远镜的敏感光谱还使这些研究人员能够测量早期宇宙中星系的精确距离，从而测量其年龄。国家科学基金会 NOIRLab 的团队成员 Pablo Arrabal Haro 和 UT Austin 博士后研究员兼哈勃研究员 Seiji Fujimoto 确定了大爆炸后 4.7 亿至 6.75 亿年存在的 11 个星系。它们不仅极其遥远，而且检测到如此多的明亮星系这一事实也值得注意。研究人员推测，JWST 探测到的星系比这些距离处发现的星系要少。

“韦伯返回的大量远程星系的详细光谱让我不知所措，”阿拉巴尔·哈罗说。“这些数据绝对令人难以置信。”

这些星系正在迅速形成恒星，但化学成分尚未像离家较近的星系那样丰富。

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