天文学家最后在“宇宙黎明”发现难以捉摸的、尘埃笼罩的超大质量黑洞

By Robert Lea published 6 hours ago

 Astronomy

 “这表明用苏巴鲁望远镜发现用詹姆斯·韦伯望远镜探索的方法多么有效“。

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主图：一幅被尘埃笼罩的一个超大质量黑洞提供动力的类星体的描画。左侧插图：詹姆斯·韦伯太空望远镜的描画。右侧插图：苏巴鲁望远镜实的图像。 (Image credit: NASA/Denys/ Robert Lea (created with Canva))

利用苏巴鲁望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜的一个强大结合，天文学家已经发现了当宇宙还不到10亿岁时存在的七个被尘埃的面纱包围的超大质量黑洞提供动力的类星体。

超大质量黑洞消耗着大量物质并像类星体般闪耀着同时被隐藏在厚重的尘埃云中。已经被长期怀疑在138亿年前叫“宇宙黎明”的一个早期中存在，但已经证明了令人挫败的难以捉摸。

这是首次在早期宇宙中探测到隐藏但明亮的类星体。研究人员说，这表明类星体在宇宙黎明是实际的之前怀疑的两倍常见。

日本爱媛大学的团队负责人松岗（Yoshiki Matsuoka）在一份声明中说，“这一发现只有用两台强大的望远镜的独特结合才有可能”。

松冈补充道，“苏巴鲁望远镜的广角和高灵敏度勘测允许我们来发现罕见明亮的星系，而詹姆斯·韦伯太空望远镜能够捕捉来自隐藏类星体的微弱红外光，这表明‘用苏巴鲁望远镜发现，用詹姆斯·韦伯太空望远镜探索’能是多么有效” 。

宇宙黎明的类星体

在现代宇宙中在所有星系的核心坐着质量达到太阳数百万倍甚至数十亿倍的超大质量黑洞。然而这些黑洞并不是都同等的。像银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*），因为它们没有吃食在围绕它们的物质上是相当平静的。

另一些黑洞贪婪地消耗在一个被压扁的旋转的叫吸积盘中的物质。这些黑洞的强引力造成这个物质中产生剧烈摩擦加热盘中的气体和尘埃到数百万度高温的潮汐力。与此同时，吸积盘中的物质被强大的磁场引导到超大质量黑洞的两极，从那里以接近光速的喷流炸出。

这两个过程跨电磁波谱辐射广大量的能量，对天文学家从大距离出现为类星体。

艺术家的一个类星体核心引擎的印象——围绕一个超大质量黑洞的吸积盘，以及以接近光速被炸出的粒子喷流。 (Image credit: NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI))

考虑到类星体是多极端和暴力，这些超大质量黑洞被认为已经在形成星系乃至宇宙演化中起一个关键角色不足为奇。然而，在宇宙是十亿岁老之前，围绕早期超大质量黑洞的形成仍然有一些秘密。

因此，天文学家们一直在勤勉的狩猎宇宙黎明期间存在的类星体。一个大约从大爆炸后从5000万年持续到10亿年的时期，据信当时第一代恒星和星系已经形成。科学家推断如果当时有一大群超大质量黑洞，它们必定作为第一代恒星消亡的结果已经频繁且广泛的形成——就像如今恒星质量黑洞的形成一样。

然而，如果在宇宙黎明超大质量黑洞的数量是低的，研究人员理论化这些宇宙巨人只在特殊的情况下形成，可能的从大量的气体和尘埃云直接坍塌形成。

类星体的明亮亮度应使这些超大质量黑洞甚至在广袤的距离相当的显眼。真的，这项新研究背后的团队使用苏巴鲁望远镜来发现200多个类星体。然而这里有个问题：类星体通常被它们的紫外线辐射发现，而宇宙尘埃是这种辐射的非常好的吸收体。

这意味着来自被严重笼罩的类星体的辐射可能不能到达我们，这将意味着我们探测到的类星体只是在宇宙黎明时期存在的吞噬超大质量黑洞的一个分数。

一个说明来自被尘埃笼罩的类星体的光线如何能到达地球的图示。(Image credit: Yoshiki Matsuoka/NAOJ)

为潜在地发现这些隐藏的类星体，该团队转向了用苏巴鲁望远镜上的超大质量相机仪器（HSC-SSP）的一项勘察，寻找显示高能辐射的迹象但缺乏类星体的告密指印的非常明亮的星系。

用詹姆斯·韦伯太空望远镜他们可以用红外线检查这些星系——这留下了那些为可见光（但延伸到更长波长）的星系，使他们能够来窥视穿透吸收紫外光的尘埃云。用它的近红外光谱仪（NIRSpec），詹姆斯·韦伯太空望远镜研究了2023年7月至2024年10月期间被斯巴鲁望远镜观测到的11个最明亮的星系。

其中七个星系显示了一个类星体的明显迹象，证实在宇宙黎明发现的第一批被尘埃模糊的明亮类星体。

由詹姆斯·韦伯太空望远镜研究的11个星系，有7个显示了被一个尘埃笼罩的类星体的告密迹象。(Image credit: Yoshiki Matsuoka/NAOJ/NASA)

检查来自这些星系的光或“光谱”，研究团队确定了类星体正在释放相当于数万亿个太阳的能量并被质量数十亿倍于我们恒星的吃食的超大质量黑洞提供动力。这些特征与那些以前在宇宙黎明探测到的未被笼罩的类星体相似。

研究人员还发现包围这些类星体的尘埃吸收它们发出的约99.9%的紫外线和70%的可见光。因此，这些宇宙巨人已经仍然如此有效地隐藏不足为奇的。

被研究团队检查的空间区域的类星体数量表明被笼罩的类星体群体是与未被隐藏的类星体类似的。因此，该团队计算出在宇宙黎明的类星体数量约为先前估计的两倍。

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研究团队现在打算进一步研究这些被模糊的类星体来确定为什么它们的环境与那些未被笼罩的类星体如此不同。他们还打算在早期宇宙纪元中存在的星系的更广泛样本中狩猎更多的被笼罩的黑洞。

研究人员说，这样的工作有来揭示在宇宙黎明所有超大质量黑洞群的潜力。

该团队的研究发表在7月的《The Astrophysical Journal》杂志上。