吃食的超大質量黑洞可能數十億年前已經终結宇宙的“黑暗時代”

(2025-03-02 09:22:47)

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published 11 minutes ago

“發現更多正潜在的宿主噴流的超大質量黑洞提出至于這些黑洞如何在这样一个短的時間尺度內生长的如此大的問題” 。

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在早期宇宙中一个超大質量黑洞的描画。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

天文學家已经發現了一個超大質量黑洞提供動力的可能已经帮助在早期宇宙中“打开光” 的類星體

這個類星體的強烈變亮和變暗被美國宇航局的核光譜望遠鏡阵列（NuSTAR）X 射線太空望遠鏡觀測到。然後，核光譜望遠鏡阵列的觀測與来自美国宇航局的钱德拉X 射線太空望遠鏡提供的關于相同吃食的超大質量黑洞的數據匹配起来。

這些新發現可能帮助解釋早期宇宙的「黑暗時代」如何被拉到一个关闭以及很久以前黑洞如何迅速增長来占有相當於數百萬或數十億個太陽質量的。

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超大質量黑洞被理論化通過一串涉及更小黑洞的合併以及吃食大量氣體和塵埃盛宴變得如此之大。問題是這個過程被認為至少要用10億年。這意味着在大爆炸後不到10億年存在的超大質量黑洞摆出一个天文學家将迫切喜欢来解決的挑戰。

新研究的類星體被命名為CFHQS J142952+54471 （J1429+5447）是如此遙遠，以至於它的光已經一直旅行近 130 億年到地球，刚好把它放在那個挑戰的時期的结束。

耶魯大學研究員、研究小組負責人马克吐利（Lea Marcotulli）在一份聲明中說，“在這項工作中，我們已经發現這個類星體很可能是一個有一个指向地球的噴流的超大質量黑洞——我們正在宇宙的前十億年内看到它”。

這條時間線意味着這個超大質量黑洞被估計有一个約為太陽的 2 億倍的質量，存在於一个被稱為“再電離纪元”的重要宇宙時期"。

让那里有光......

宇宙黑暗時代是一个直到大爆炸後約11億年为止存在了的時期。當时宇宙大約是380000岁老，它已經冷卻到足以允许電子和質子一起来形成原子。自由電子的消失意味着光的基本粒子光子不再無休止的反彈着，實際上可以旅行長的距離。

換句話說宇宙突然的從不透明到透明。這種“第一光”的化石殘骸今天以宇宙微波背景（CMB）的形式存在。

然而，隨着宇宙繼續冷卻更多的中性氫原子形成並開始吸收光子团。這造成宇宙再次陷入黑暗，開啟宇宙黑暗時代。

這條時間線總結宇宙的演化，左邊是大爆炸，右邊是宇宙进入存在大約 20 億年。隨著再電離發生了，由第一批恆星和黑洞發射的輻射清除了中性氫的霧霾。 (Image credit: NASA/CXC/M. Weiss)

再电离纪元描画大爆炸后 6.8 億年至 11 億年的時間，在此期間高能光開始從氫阳離子剝離電子，允许光再次自由的旅行。

儘管來自第一批恆星的紫外線据信对再電離過程一直是關鍵，但科學家們長期以來懷疑了其他高能光源也一定一直在起作用。

這就是早期類星體进入这张图片的地方。

研究團隊成員、錢德拉 X 射線中心科學家湯瑪斯·康納（Thomas Connor）說，“再電離纪元被考虑為宇宙的黑暗時代的結束，对再電離负责的精确時間線和源類別仍被爭論，積極吸積的超大質量黑洞是拟议的罪魁禍首之一” 。

類星體清除早期的宇宙迷霧

類星體被在超大質量黑洞正貪婪地吃食在围绕它们的物質上的地方看到。

這些超大質量黑洞在被稱為吸積盤的扁平物質雲中逐漸吃食它們產生巨大的摩擦。此外，沒有被送入黑洞的物質被引導到它的兩極，從那裡它以接近光速的射流形式被炸出。

這使得像J1429+5447 這樣的類星體往往比跨電磁波譜圍繞它們的星系中每顆恆星的结合了的光更亮。

因此，它們不僅对调查宇宙黑暗時代的結束是理想來源，而且它们還是狩猎這種全面重要的宇宙相變的主要嫌疑，可能对電離中性氫提供能量。

康納及其同事將用核光譜望遠鏡阵列做出的J1429+5447 的觀測與钱德拉對同一類星體的觀測比較。

描画显示了钱德拉（右上）和核光譜望遠鏡阵列（左下）觀測的同一個超大質量黑洞類星體。 (Image credit: Robert Lea (create with Canva))

研究人員發現，J1429+5447 的 X 射線發射在四個月的時間里翻了一番。雖然從一個 1656 億個月大的宇宙中按宇宙的话這已經是一個难以置信短的時間，但相對論的時間扭曲效應意味着对這個早期超大質量黑洞這個類星體的四個月變化被壓縮成兩周。

耶魯大學文理學院的團隊成員屋里（Meg Urry）解釋說，“因為噴流以接近光速移動，愛因斯坦的狹義相對論加速並放大可變性，按強度和速度這種水準的 X 射線變異性是極端的。它肯定的最被一个指向我们的喷流解释——一個其中粒子被運送到一个距離中心超大質量黑洞最遠 100 萬光年的地方的圓錐體中”。

這一觀测不僅可以幫助科學家解码再電離化的秘密，而且对揭开更多早期超大質量黑洞並發現它們如何长的如此大是關鍵。