16億倍太陽質量,距離130億光年,科學家發現最遙遠超大質量黑洞

2021-01-21 八兩科學

大多數星系中心都有一個超大質量黑洞,質量從百萬至數十億倍太陽質量不等。但也有少數星系的核心光度異常高,以至於科學家通過望遠鏡的各種波段都能觀測到,故被稱為活躍星系核(ANG)。而其中能量最強大、極度明亮的活躍星系核又被稱為「類星體(quasar)」。簡單來說,類星體比星系要小,感覺像恆星,但它釋放的能量卻是星系的千倍以上。同時,它也是人類觀測到的最遙遠的天體。

發表於《天體物理學雜誌快報》的一項研究報告稱,美國亞利桑那大學的科學團隊發現了迄今為止距離最遙遠的類星體,距離地球130億光年,大約誕生於宇宙大爆炸後的6.7億年,被命名為「J0313-1806」。而它的發現,可能會對人類對黑洞和星系形成的理論提出挑戰,或許也會改變人類早期宇宙的認識。

研究人員先是通過望遠鏡發現了類星體「J0313-1806」中心的超大質量黑洞噴射出高熱量的放射性氣流,以光速的20%向地球吹來的證據。然後使用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA)對其進行詳細研究。

觀測結果表明,「J0313-1806」是迄今人類觀測到最遙遠的類星體,比過去認為最遠的「J1342+0928」還要遠2000萬光年。此前「J1342+0928」確認為大約誕生在宇宙大爆炸後的6.9億年,其中伴有的超大質量黑洞是8億個太陽質量。但是「J0313-1806」刷新了這個記錄,其伴有超大質量黑洞達到16億個太陽質量。

另外這個最遠的類星體還有一個令人著迷的地方是,其恆星形成的速度約為每年200個太陽質量,被歸類為所謂的星爆星系(starburst galaxy)。相比之下,銀河系早期也能達到這樣的速率,但現在銀河系基本上每年產生的恆星只有一個太陽質量。

為什麼說「J0313-1806」挑戰了黑洞和星系形成理論呢?

現代宇宙論是基於愛因斯坦的研究成果而來,同時也依賴這個宇宙原則假設而推展。然而令人不解的是,天文學家發現宇宙早期,就已孕育出數個質量達太陽數十億倍的超大質量黑洞,堪稱宇宙學中最大謎團。

團隊以現代模型模擬了「J0313-1806」,結果顯示,即使「J0313-1806」的超大質量黑洞在大爆炸之後大約1億年形成並以建模所允許的速度增長,發現它形成時就是10000個太陽質量。也就是說現代模型不適用於「J0313-1806」,但適用於「J1342+0928」,這就很矛盾了。

目前主要理論認為,黑洞是成熟的恆星死亡後坍塌形成,並靠吸取周遭氣體與塵埃逐年緩慢增長。而類星體也是由超大質量黑洞驅動,但有些類星體的超大質量黑洞像是憑空產生。這些類星體誕生初期,其超大質量黑洞就迅速從十幾個太陽大小變成了十幾億個太陽大小,這裡彷佛有一道說不清道不楚的簾在籠罩著。

研究共同作者、亞利桑那大學天文學家樊曉暉(Xiaohui Fan)教授提出一個解釋:「J0313-1806」的黑洞的種子一定是由不同的機制形成的,它不需要成熟的恆星作為原材料,類星體中的大量原始冷氫氣體直接塌陷到黑洞種子中,並為超大質量黑洞提供充足『食物』,這是在這麼短的時間內達到這種大小的唯一途徑。

同時他認為,類星體的超大質量黑洞是造成許多大星系在某個時刻停止形成恆星的原因。超大質量黑洞噴發的高熱放射性氣流如同一股熱風,將通常聚集在一起形成新恆星的物質通通吹走,阻礙了其它新恆星的發展。而數十年來,天文學家都知道似乎有一個物理過程在阻止大型星系中恆星的形成,但不知何原因,或許超大質量黑洞的噴發就是這個未知原因。

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