宇宙最古老「海洋」黑洞 超地球水量140兆倍

2020-11-22 驅動之家

近日，由美國加州理工學院牽頭的兩個天文學家小組發現了一個宇宙中驚人的區域，在距離地球120億光年的宇宙深處發現了一個有史以來探測到的最大最遠的關於水的蹤跡，科學家將其稱為「巨型海洋」，其存在於一個類星體中，而類星體則是宇宙中最亮最猛烈的一種天體。天文學家探測到這個「巨型海洋」由水蒸氣構成，總體含量相當於地球上海洋含水量的140兆倍，質量相當於太陽質量的10萬倍。這證明了一個事實：水在宇宙中真的是無處不在。

據美國宇航局噴氣推進實驗室科學家馬特布拉德福德介紹：由於這顆被探測到的類星體距離地球極為遙遠，其發出的光花了120億年才到達地球，也就是說，這個圖像是宇宙誕生後16億年左右就已經發生了，這同樣也說明了，由於這顆獨特的類星體周圍出現大量的水蒸氣看出，在早期宇宙中就已經存在水，而且可以推理出，水在整個宇宙中應該是無處不在。由馬特布拉德福德牽頭的其中一個研究小組將這個類星體的發現擬成論文《發現水蒸汽位於高紅移類星體》，已經發表在《天體物理學》期刊上，並得到巴黎天文臺和法國國家科學研究中心、法國毫米波射電天文研究所支持。

圖2顯示了藝術家筆下的類星體，或者說一個正在進食的黑洞，類似於APM 08279+5255，天文學家在其中發現了大量的水蒸氣，氣體和塵埃可能形成一個環狀的結構圍繞著黑洞，在往外則是帶電氣體雲包裹著。X射線猛烈地穿過環的中央，向宇宙空間噴射，整個環面塵埃帶發出極強的紅外輻射。

類星體的能量一般由其內部的一個巨型黑洞控制，黑洞在吞噬周圍的氣體和塵埃盤的同時，也釋放出強大的能量。兩組天文學家都觀測到了APM 08279+5255類星體出現這種現象，其內部隱藏的巨型黑洞質量達到太陽質量的200億倍，產生的能量相當於1000兆個太陽。

自天文學家預測水蒸氣會存在於早期宇宙，所以這個關於水蒸氣的發現並不是一個特別大的驚喜。這個銀河系中的水蒸氣含量比這顆類星體要多4000倍，但是銀河系中的水蒸氣都是以冰的形式存在。不過，水蒸氣是一個重要的微量氣體，揭示了類星體的性質。在這個類星體中，水蒸氣分布在黑洞的周圍，形成氣體結構橫跨了數百光年。但是以天文學的標準，這個龐大的氣體雲顯示出異常的溫度和密度。雖然氣體雲是個非常寒冷的地方，溫度只有零下53°和比地球大氣低300兆倍的密度，但是其仍然比銀河系的氣體雲溫度要高出5倍，密度高出10到100倍。

探測數據表明，在類星體周圍的氣體雲中，水蒸氣是眾多氣體的一種，但其存在也表明了類星體周圍的水蒸氣處於X射線和強烈紅外輻射的照射中。而強烈輻射與水蒸氣的相互作用揭示出了巨型氣體雲的相關屬性，以及類星體如何對其產生影響。這種影響表現在，輻射強度如何加熱周圍氣體雲等。此外，天文學家還發現，通過測量水蒸氣和其他分子（一氧化碳），可以推算出這個巨型黑洞還能通過吞噬氣體，並最終演化成6倍於目前體積的超大質量黑洞。但最後會不會實現，還不得而知，因為氣體雲回凝結並提供給新的恆星形成，也可能脫離類星體。

布拉德福德於2008年開始這項觀測，使用加州理工學院的亞毫米波10米口徑的望遠鏡。其中有一個極為敏感的攝譜儀，需要冷卻到絕對零度以上0.06攝氏度。可以對來自類星體的光進行毫米波段的分析，介於紅外和微波波段之間。光譜範圍是以往光譜儀的10倍。天文學家針對這個現象提出了後續觀測任務，使用南加州的毫米波陣列望遠鏡進行進一步研究。

本次重大的發現也再一次強調了毫米波和亞毫米波觀測是一個非常好的研究方法。這個領域在過去的20-30年內發展迅速，該研究的一位科學家正在參與智利阿塔卡馬沙漠一個25米口徑的望遠鏡建設。使得天文學家能發現宇宙中早期星系，並通過對水蒸氣以及其他痕量氣體的研究，發現原始星系的奧秘。

而另一組科學家則在加州理工學院物理學高級研究員Dariusz Lis牽頭下，使用法國阿爾卑斯山上的幹涉望遠鏡觀測這個「巨型海洋」黑洞。早在2010年，該團隊就已經發現APM 08279+5255頻譜中存在氟化氫的痕跡，接著一個無心插柳觀測，又發現這個類星體中存在水的光譜信號。這個信號是水由高能態躍遷到低能態所釋放出的輻射。Lis研究小組只發現了一個單一的信號，而使用亞毫米波10米口徑望遠鏡的布拉德福德則觀測到許多頻率上都存在水的痕跡，也正是通過這個信息，布拉德福德小組計算出了類星體周圍的氣體物理特性和水蒸氣的總質量。（文/騰訊科技）


環狀氣體雲中含有大量的各種星際氣體


APM 08279+5255類星體藝術效果圖

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