这个不可能的大质量黑洞在时间的黎明期间不是很饥饿

(2024-07-01 09:35:56)

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这个不可能的大质量黑洞在时间的黎明期间不是很饥饿

By Robert Lea

published 1 hour ago

Black Holes

“全面的，新的观测只增加这个秘密：早期的类星体是惊人的正常。类星体在宇宙的所有时代纪元几乎是相同的”。

图示类星体J1120+0641的明亮活动区域，它有一个处于一个“超有效进食模式”的超大质量黑洞。(Image credit: T. Müller / MPIA)

用詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST），天文学家已经在“宇宙黎明”发现了一个似乎不可能大质量的超大质量黑洞。困惑来自在那段期间这个巨大的空无似乎没有正在宴食周围物质——但为了达到它的巨大尺寸人们会期望当它在时间开始时一直是贪婪的的事实。

这个为星系J1120 + 0641中心的类星体提供动力的吃食的超大质量黑洞被在当宇宙刚好是它的当前年龄的5%时看到。它也有一个太阳的十亿倍以上的质量。

虽然相对容易来解释多更近和因此更最近超大质量黑洞已经成长到有数十亿个太阳质量，但促进这种成长的合并和吃食过程被预计要用大约十亿年。这意味着发现这样的超大质量黑洞存在在138亿岁老宇宙是10亿岁之前是一个真的困境。

自 2022 年夏天它开始运行以来，詹姆斯韦伯太空望远镜已证明了在宇宙黎明发现这种挑战性的黑洞上特别的有效。

围绕这些空无早期生长的一种理论是它们被参与在一种叫“超有效进食模式”的一个进食狂潮中。然而，詹姆斯韦伯太空望远镜对J1120+0641超大质量黑洞的观测显示在近邻它附近的物质中没有特别有效的进食机制。这一发现对超快进食超大质量黑洞生长机制投下怀疑，这意味着科学家可能知道关于宇宙早期演化比他们意识到的甚至更少。

团队负责人和马克斯普朗克天文学研究所（MPIA）博士后研究员萨兰博斯曼在一份声明中说，“全面的，新的观测只增加这个秘密：早期的类星体是惊人的正常。类星体在宇宙的所有纪元几乎是相同的，无论在哪个其中我们观察它们的波长上，类星体在宇宙的所有纪元都几乎是相同的”。

宇宙的时间线。被预计在大爆炸后数十亿年发现超大质量黑洞，但围绕第一颗恒星形成时发现它们是更令人惊讶的。(Image credit: ESA)

超大质量黑洞控制着它们自己的饮食

在过去138亿年的宇宙历史中，星系通过要么吸收周围的气体和尘埃，要么通过蚕食更小的星系要么与较大的星系合并获得质量已经生长了尺寸。

大约20年前，在詹姆斯韦伯太空望远镜和其他望远镜开始在早期宇宙中发现令人不安的超大质量黑洞之前，天文学家已经假定了在星系中心的超大质量黑洞与导致星系增长的过程以锁步逐渐的增长。

事实上，对黑洞能多快增长有限制的——这些宇宙巨人实际上帮助设定它们自己的限制。

由于角动量的守恒，物质不能够直接的落入一个黑洞。取而代之的是，在黑洞周围形成了一种扁平的叫吸积盘的物质云，此外，中心黑洞的巨大引力诞生在吸积盘中创造湍流条件的强大潮汐力，加热它造成它跨电磁波谱发射光。这些发射是如此明亮以至于它们往往比周围星系中每颗恒星的总和光更亮。其中所有这一切发生的区域被叫类星体，它们代表了一些最亮的天体。

这种亮度还有另一个功能。尽管没有质量，但光确实施加压力。这意味着由类星体发射的光推动在周围的物质上。为类星体提供动力的黑洞进食越快，辐射压力就越大，黑洞就越有可能切断它自己的食物供应并停止生长。黑洞或任何其他吸积物通过推开周围物质挨饿它们自己的点被称为“爱丁顿极限”。

这意味着超大质量黑洞不能随心所欲快的进食和生长。因此，在早期宇宙中特别是在大爆炸后不到10亿年发现质量高达100亿个太阳的超大质量黑洞是一个真正的问题。

一幅插图显示一个正在进食的超大质量黑洞。这些天体的早期例子是如何在大爆炸后这么快就变得如此之大的？ (Image credit: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

天文学家需要更多知道早期类星体来确定是否早期的超大质量黑洞能够克服爱丁顿极限并变成所谓的“超级爱丁顿吸积器”。

为此，该团队在2023年1月将詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外仪器（MIRI）聚焦在J1120+0641中心的类星体上，该类星体距离地球130亿光年远，被看到就像它刚好在大爆炸后7.7亿年一样。这项调查构成对在宇宙黎明时存在的一个类星体的首次中红外研究。

来自这个早期超大质量黑洞的光谱揭示了环绕吸积盘的大型环形气体和尘埃“圆环”的属性。这个环面帮助将物质引导到吸积盘，从那里它被逐渐送入超大质量黑洞。

中红外仪器对这个类星体的观测表明，宇宙供应链功能类似于更靠近地球的因此存在于宇宙的后期纪元中“现代”类星体。对一个增强的吃食机制导致早期黑洞快速增长的理论的倡导者这是个坏消息。