從星系寶寶窺探宇宙早期的奧秘

2020-10-20 牧夫天文

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翻譯：王永豐

校對：牧夫天文校對群

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤

原文連結：https://www.nytimes.com/2020/10/01/science/astronomy-galaxies-black-hole.html

哈勃深場下的星系

credit: nasa

九月底，天文學家宣布他們在宇宙深處發現了一個被一群年輕原星系所包圍著的巨大質量黑洞，這個黑洞形成於嬰兒期的宇宙，接近於時間的起點。

這個黑洞在宇宙誕生後9億年的時間裡，長成為質量達到十億個太陽的龐然大物。同時它也是類星體SDSS J1030+0524的能量來源。天文學家推測，這個黑洞及其周圍的原星系群，很有可能向我們展示了一個覆蓋幾百萬光年，擁有相當於數萬億太陽質量的星系團的初期形態。

SDSS J1030+0524

credit：SIMBAD astronomical database

這一發現將幫助天文學家更深地理解宇宙中的最大物質結構——星系團——的起源，以及宇宙初期超大質量黑洞如何迅速積累質量。這個發現同時讓我們窺視到了宇宙大尺度纖維結構。（宇宙大尺度纖維結構就像清晨佔有露水的蛛網，物質-水分在已經構成的纖維結構上聚集。）

宇宙大尺度纖維結構 credit：universe today

沾有露水的蛛網

引用自圖行天下

來自義大利天體物理研究中心的馬爾克.米格諾裡博士（Marco Mignoli）告訴大家：「早期宇宙中形成的超大質量黑洞是宇宙中的極端天體系統。但目前我們對它們知之甚少，雖然面對挑戰，我們仍然渴望著深入研究它們。」

米格諾裡博士是論文的主要研究人員。藉助那些最強大的天文望遠鏡，比如哈勃空間望遠鏡、位於智利的歐南臺甚大望遠鏡、位於美國夏威夷的凱克天文臺和位於美國亞利桑那的大型雙筒望遠鏡，科學家們對這一目標進行了長達十年的持續觀測。

位於夏威夷的凱克天文望遠鏡

credit：planet hunter

天文界近來的主流觀點認為黑洞和大質量星系應是宇宙中最早形成的天體，他們在宇宙大尺度纖維結構中形成。由於這些節點聚集著大量物質，黑洞和星系的質量增長極其快速。來自約翰霍普金斯大學的學者諾爾曼（Colin Norman）認為新的發現印證了這個觀點。

在宇宙網節點上聚集著大量物質，為星系和黑洞的形成提供物質基礎

credit:earthsky

來自卡耐基天文臺的阿倫.德雷瑟（Alan Dressler）認為：「宇宙纖維結構的概念雖然已經被科學界大體接受，但它的特徵沒有人能詳細描述。我們僅僅可以通過像類星體SDSS J1030+0524所在的目標來進行研究。它點亮了宇宙，為我們畫出了輪廓。但即便如此，我們還是需要用最強大的望遠鏡來長期觀測，才能了解宇宙纖維結構的更多特徵。」

米格諾裡博士和一隊國際天文學家在古老且遙遠的類星體周圍尋找超大密度天體的線索。

天文學家通過計算從宇宙深處觀測到的光的紅移，來推測目標在膨脹中宇宙的時間和距離。紅移與生活中遇到的都卜勒效應原理一致，比如遠離我們駛去的汽笛聲音調變低。

SDSS J1030+0524系統中的黑洞周圍原星系

credit: new york time

類星體SDSS J1030+0524所發出的光呈現出6.31的紅移，這意味著當這一束光從類星體發出到被我們所觀測，這一段時間裡，整個宇宙膨脹了7.31倍。通過計算，這與當時的宇宙年齡相符。這束光在宇宙中穿行了超過一百億年才被我們所觀測到，這意味著SDSS J1030+0524是我們所觀測到的最遙遠的類星體之一。

SDSS J1030+0524 credit:sci-News

從哈勃和其他望遠鏡得到的觀測數據中，天文學家發現類星體被很多微光天體所包圍。天文學家對他們進行追蹤觀測和光譜測量。團隊成員羅伯託吉利（Roberto Gilli）向大家介紹：「這些物體其實是正在生成恆星的星系」。他們擁有相似的紅移程度和一些光譜特性，天文學家將對這些天體做更深刻的研究。這些天體中，有6個在270億立方光年的空間裡擁有著相似的紅移程度，都在6.129到6.355之間。天文學家推測，在這270億立方光年裡蘊藏著接近於一萬億倍太陽的質量，相當於一個巨大星系團所擁有的質量，密度超出普通星際空間的兩倍。

巨型麥哲倫「超級望遠鏡」

這是早期宇宙（宇宙誕生後十億年）中高密度星系圍繞超大質量黑洞的首個光學光譜依據。同時它也支持了宇宙早期的大質量黑洞在暗物質暈形成並且迅速增長。觀測上的局限性影響了我們早期宇宙的研究。但遲早我們會突破這些限制，更全面的觀測並記錄宇宙大尺度纖維結構是下一代「超級望遠鏡」的主要任務之一。比如，位於智利在建中的巨型麥哲倫望遠鏡和歐洲極大望遠鏡（E-ELT），和美國計劃在夏威夷建設的三十米望遠鏡（TMT）。

宇宙大尺度纖維結構

credit: UCL math & physic science

下一代望遠鏡更強大的集光能力能夠讓我們更好地分辨出年輕暗淡星系的背景光，以便於獲取更精細的宇宙大尺度纖維狀結構。迄今為止，我們對於該理論依然建立在將類星體發出的光作為背景光，但那些只發出微光的早期星系則數量更為龐大。在下一代望遠鏡的幫助下，我們可以更好地了解宇宙大尺度纖維結構。

責任編輯：毛明遠

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

GN-z11星系，人類所觀測離地球最遠的星系。

credit: nasa deep field

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