發現一顆最遙遠的超大質量黑洞

2021-01-20 中科院物理所

天文學家認為，在大多數的星系中都隱藏著一個超大質量黑洞。例如，我們所棲息的銀河系就是這樣，在其中心的黑洞質量約為太陽的400萬倍。


關於黑洞，一直有著種種困擾我們的未知謎題，其中一個便是：這些超大質量黑洞究竟是如何形成、以及需要多長的時間才能達到如此巨大的質量的？現在，天文學家在早期宇宙中，發現了一個迄今為止已知的最遙遠的超大質量黑洞，它的出現使我們更加的困惑。


 新發現的類星體的藝術想像圖，其中心為超大質量黑洞，被吸積盤圍繞著，並伴隨著噴流的出現。( 圖片來源：Robin Dienel )


我們之所以會發現這個黑洞是因為它位於一個超級明亮的類星體 J1342 + 0928的中心。類星體是一類離地球最遠、能量最高的活動星系核，它之所以能夠釋放出如此巨大的光芒，是因為中央的超大質量黑洞通過吸積周圍的物質，將引力能轉化為電磁波釋放出來。計算表明，由於黑洞附近的引力如此之強，被吸積物質的靜止能量（E=mc²）的10%以上可被轉化為電磁波輻射出來，遠大於氫聚變成氦的所釋放出的能量（△E=0.007mc²）。


因此，通過觀察遙遠類星體J1342 + 0928的亮度，我們可以計算出它所包含的黑洞的質量，得出的結果為8億倍的太陽質量！這簡直就是黑洞中的哥利亞。不僅如此，天文學家觀測到該類星體的紅移為7.54，意味著我們探測到的光線是來自宇宙大爆炸後的6.9億年（僅為目前宇宙年齡的5%）。這是宇宙歷史中非常關鍵的一個時期。它的發現或許可以幫助我們揭開第一批恆星的形成之謎。


新發現的超大質量黑洞 J1342+0928 （黃色星星），要比先前觀測到的（黃色點點）更加遙遠。( 圖片來源：Jinyi Yang/Reidar Hahn/M.Newhouse )


在大爆炸後，宇宙充滿了熾熱的高能粒子。隨著宇宙快速的膨脹，這些粒子逐漸的冷卻並凝聚成中性氫氣，那個時期被稱為黑暗時期。最終，在引力的作用下，物質凝聚形成第一批恆星和星系，產生了組成光的粒子——光子。由于越來越多的恆星在宇宙中被點亮，它們輻射出的光子與中性氫反應，將氣體離子化，使宇宙迎來了再電離時期。


天文學家推斷，這個新發現的類星體便存在於這個重大的轉變時期。他們利用一個叫做FIRE的分光儀進行分析後發現，有一大部分圍繞在該類星體周圍的氫氣均為中性。因此他們推斷，該類星體被發現的時期，宇宙正好處於一半中性和一半電離。基於這個結論，他們推斷第一批恆星應該是在這個時期誕生的。


新發現的類星體被中性氫氣圍繞，表明它來自宇宙的再電離時期——即第一批恆星被點亮的時期。( 圖片來源：Jinyi Yang/Reidar Hahn/M.Newhouse )


然而，我們依舊無法回答——為什麼在宇宙如此年輕的時候，就能快速形成如此巨大的黑洞——這一問題。或許你會認為也許它正好處於宇宙中非常緻密的區域，在它的周圍有很多可以使它更迅速成長的物質。但這個假設還不足以解決這個謎團，因為黑洞吸積物質的速度越快，物質釋放出的光芒就越多，從而光壓和熱壓就會把物質推離黑洞。這就是所謂的愛丁頓極限，它給黑洞增長的速度設置了一個上限。要在如此短的時間內形成質量為8億倍太陽質量的黑洞，它所吸積的物質與這個極限將十分接近。因此，肯定存在著某些其它的機制來解釋它的形成，只是我們還不得而知。


另外，我們也不知道，像這樣的黑洞在早期的宇宙是否是典型普遍的，還是它本身就是非同尋常的。答案，只有在早期宇宙中找到更多這樣的類星體才能揭曉。如果我們能找到，也將幫助我們理解超大質量黑洞和它們的宿主星系是如何形成的。


參考來源：

https://www.nature.com/articles/nature25180

來源：原理

編輯：zkai

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