大爆炸後僅僅15億年，黑洞就開始「大快朵頤」了

本文參加號 系列徵文賽。

望遠鏡技術的快速發展使得天文學家能夠探索更深層和更古老的宇宙。如此一來，一些關於宇宙自大爆炸後是如何演化的謎團得以解決。其中一個由來已久的謎團是「超大質量黑洞是如何在早期宇宙中形成的」。超大質量黑洞在星系的演化中起著至關重要的作用。

超大質量黑洞。

一個國際天文團隊使用在智利的ESO甚大望遠鏡來觀測在大爆炸後約15億年出現的星系（即，距今約125億年）。令人驚奇的是，他們發現了大量的冷氫氣，這些氫氣可以為超大質量黑洞提供足夠的「食物來源」。這些觀測結果可以解釋為什麼超大質量黑洞在「宇宙黎明」時期增長如此之快。

該小組由馬克斯·普朗克天文研究所和馬克斯·普朗克天體物理研究所的伊曼紐爾·保羅·法裡納博士領導。參與研究的人員來自MPIA和MPA、歐洲南方天文臺、加州大學聖巴巴拉分校、阿塞蒂天體物理天文臺、博洛尼亞天體物理和空間科學天文臺以及馬克斯·普朗克外星物理研究所。

德國物理學家馬克斯·普朗克。

幾十年來，天文學家一直在研究超大質量黑洞，它們存在於大多數星系的核心，並通過活動星系核來識別。這些核，也被稱為類星體，可以發射比銀河系其他恆星總和更多的能量和光。迄今為止，觀測到的最遠的類星體是位於131億光年之外的ULAS J1342+0928，在它中心的超大質量黑洞也是已知最遙遠的。

藝術形式展現的最遙遠的超大質量黑洞。圖源：美國國家航空航天局噴氣推進實驗室

考慮到第一顆恆星估計是在大爆炸後10萬年才形成（距今約138億年），這意味著超大質量黑洞必須在第一顆恆星消亡前快速形成。不過，直到現在，天文學家還沒有在早期宇宙中發現足夠的塵埃和氣體來解釋這種快速增長。

此外，先前用阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列進行的觀測顯示，早期星系中含有大量的塵埃和氣體，這些塵埃和氣體推動了恆星的快速形成。這些發現表明，不會有太多的物質留下來餵養黑洞，這加深了黑洞如何如此迅速成長的神秘性。

「事件視界望遠鏡」的主要觀測站，位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。

為了解決這個問題，法裡納和他的同事們依靠甚大望遠鏡的多單位光譜探索者儀器收集的數據，在大約125億光年的距離上測量了31個類星體（從而觀察了它們在125億年前的樣子）。這使得他們的調查成為早期宇宙最大的類星體樣本之一。他們發現了12個延伸的、密度驚人的青雲。

這些氫雲是通過它們在紫外光下的特殊光亮來識別的。考慮到紅移的距離和影響（由於宇宙膨脹，光的波長被拉長），地面望遠鏡將這些光視為紅光。正如法裡納在馬克斯·普朗克天文研究所新聞稿中所解釋的：

「對這種發光氣體最可能的解釋是螢光機制。氫氣將類星體富含能量的輻射轉化為具有特定波長的光，這一點在微光中是顯而易見的。」

在早期星系周圍，由冷而密的氫組成的雲（質量是太陽的數十億倍）形成了光暈，這些光暈從中心黑洞延伸了10萬光年。通常，探測類星體周圍的雲（它們非常明亮）是相當困難的。但多虧了MUSE儀器的靈敏度——法裡納稱之為「遊戲改變者」——團隊很快就找到了它們。

正如參加了這一項目的MPIA的研究員艾莉莎·德雷克所說：

「通過目前的研究，我們才剛剛跨入第一個超大質量黑洞是如何迅速發展的研究門檻。但是一些新的儀器，比如MUSE和未來的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，正在幫我們解決這些令人興奮的難題。」

研究小組發現，這些氣體光暈與星繫緊密結合，為維持恆星的快速形成和超大質量黑洞的生長提供了完美的「食物源」。這些觀測有效地解決了超大質量黑洞在宇宙歷史早期如何形成的謎團。正如法裡納總結的那樣：

「我們現在能夠第一次展示，原始星系的環境中確實有足夠的食物來維持超大質量黑洞的生長和恆星的形成。天文學家們正在構建120多億年前宇宙結構是如何形成的宏圖，這一發現無疑是為宏圖添加了基礎。」

在未來，天文學家將擁有更為精密的儀器來研究早期宇宙中的星系和中小型黑洞，這將揭示關於古代氣體雲的更多細節。這些儀器包括歐洲南方天文臺的超大望遠鏡，以及詹姆斯·韋伯太空望遠鏡太空望遠鏡（JWST）等天基望遠鏡。

歐洲南方天文臺的超大望遠鏡

作者： universetoday

FY: LindaF

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處