婴儿类星体不断增长的超大质量黑洞
詹姆斯·韦伯太空望远镜在其使用的第一年中做出了最意想不到的发现之一：遥远宇宙中大量微弱的小红点可能会改变我们理解超大质量黑洞起源的方式。这项研究由奥地利科学技术研究所 (ISTA) 天体物理学助理教授 Jorryt Matthee 领导，现已发表在《天体物理学杂志》上。
在我们夜空中的一个小区域中发现的一堆小红点可能是詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在其服务第一年的一个意想不到的突破。通过老哈勃太空望远镜的“眼睛”，这些物体与正常星系没有什么区别。“JWST 并不是为了这个特定目的而开发的，但它帮助我们确定了在宇宙遥远的过去很远的地方发现的微弱的小红点是极其巨大的黑洞的小版本。这些特殊物体可能会改变我们对黑洞起源的思考方式，”该研究的主要作者、奥地利科学技术研究所 (ISTA) 助理教授乔里特·马蒂 (Jorryt Matthee)说道。“目前的发现可能使我们更接近回答天文学中最大的困境之一：根据当前的模型，早期宇宙中的一些超大质量黑洞只是生长&luo;太快&ruo;了。那么它们是怎么形成的呢?”
宇宙的不归点
长期以来，科学家们一直认为黑洞是一种数学上的好奇心，直到它们的存在变得越来越明显。这些奇怪的宇宙无底坑可能具有如此紧凑的质量和强大的引力，以至于任何东西都无法逃脱它们的吸引力——它们吸入任何东西，包括宇宙尘埃、行星和恒星，并使它们周围的空间和时间变形，甚至连光也无法逃脱。阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前发表的广义相对论预测黑洞可以有任何质量。一些最有趣的黑洞是超大质量黑洞(SMBH)，其质量可能达到太阳质量的数百万至数十亿倍。天体物理学家一致认为，几乎每个大型星系的中心都存在一个超大质量黑洞。证明人马座 A* 是银河系中心的超大质量黑洞，其质量超过太阳的 400 万倍，荣获 2020 年诺贝尔物理学奖。
然而，并非所有超大质量
黑洞都是一样的。虽然人马座 A* 可以比作一座沉睡的火山，但一些超大质量黑洞通过吞噬天文数量的物质而生长得极其迅速。因此，它们变得如此明亮，以至于可以在不断膨胀的宇宙边缘观察到它们。这些超大黑洞被称为类星体，是宇宙中最亮的天体之一。“类星体的一个问题是，其中一些类星体的质量似乎太大了，考虑到观测类星体的宇宙年龄，它们的质量太大了。我们称它们为“有问题的类星体”，”马蒂说。“如果我们认为类星体起源于大质量恒星的爆炸，并且我们根据一般物理定律知道它们的最大生长速度，那么其中一些类星体的生长速度看起来比可能的要快。就像看着一个两米高的五岁孩子一样。有些事情并没有加起来，”他解释道。中小企业的增长速度可能比我们最初想象的还要快吗?或者它们的形式不同?
巨型宇宙怪物的小型版本
现在，Matthee 和他的同事们识别出一群在 JWST 图像中显示为小红点的物体。此外，他们还证明这些天体是超大质量黑洞，但质量并不是太大。确定这些物体是超大质量黑洞的核心是检测具有宽谱线轮廓的 Hα 光谱发射线。Hα线是氢原子受热时发出的可见光深区域的谱线。光谱的宽度描绘了气体的运动。“Hα 线的底部越宽，气体速度越高。因此，这些光谱告诉我们，我们正在观察一个非常小的气体云，它移动速度极快，并围绕像超大质量黑洞这样的巨大物体运行，”马蒂说。然而，这些小红点并不是超大质量黑洞中发现的巨型宇宙怪物。“虽然&luo;有问题的类星体&ruo;是蓝色的，极其明亮，质量达到太阳的数十亿倍，但小红点更像是&luo;婴儿类星体&ruo;。它们的质量在十到亿个太阳质量之间。此外，它们看起来是的，因为它们沾满了灰尘。尘埃遮住了黑洞并使颜色变红，”马蒂说。但最终，从黑洞中流出的气体会刺穿尘埃茧，巨星将从这些小红点中演化出来。因此，ISTA 天体物理学家和他的团队认为，这些小红点是巨型蓝色超大质量黑洞的小版本，处于有问题的类星体之前的阶段。“更详细地研究超大质量黑洞的婴儿版本将使我们更好地了解有问题的类星体是如何存在的。”
借助 EIGER(再电离时期的发射线星系和星际气体)和 FRESCO(第一再电离时期光谱完整观测)合作获得的数据集，Matthee 和他的团队能够找到婴儿类星体，这是一项“突破性”技术。这是 Matthee 参与的大型和中型 JWST 项目。去年 12 月，《物理世界》杂志将 EIGER 列为 2023 年年度十大突破之一。“艾格峰的设计目的是专门研究罕见的蓝色超大质量类星体及其环境。它并不是为了寻找小红点而设计的。但我们在同一个数据集中偶然发现了它们。这是因为，通过使用 JWST 的近透视 相机，EIGER 获取了宇宙中所有物体的发射光谱。”Matthee 说道。“如果你举起食指并完全伸展手臂，我们探索的夜空区域大约相当于指甲表面的二十分之一。到目前为止，我们可能只触及了表面。”
马蒂相信，目前的研究将开辟许多途径，并帮助回答一些有关宇宙的重大问题。“黑洞和超大质量黑洞可能是宇宙中最有趣的东西。很难解释为什么它们在那里，但它们确实在那里。我们希望这项工作能够帮助我们揭开宇宙最大的神秘面纱之一。”他总结道。
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