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Space.com：韦伯太空望远镜观测到早期宇宙中孤独的超大质量黑洞驱动的类星体
通过韦伯太空望远镜，天文学家回溯了130亿年的历史，发现了一些孤立的超大质量黑洞驱动的类星体。
韦伯太空望远镜（JWST）的这些观测结果令人困惑，因为孤立的黑洞本应难以聚集足够的物质来成长为超大质量黑洞，尤其是在宇宙大爆炸后仅数亿年的情况下。这一发现进一步加剧了天文学家对一些黑洞在宇宙不到10亿年时就已成长为相当于数百万甚至数十亿个太阳质量的谜团。
该发现源于一个科学团队利用JWST研究了已知最早的五个类星体的环境，这些类星体形成于宇宙大约600到700百万年时。
团队发现，这些类星体的周围环境，即“类星体场”相当多样化。
一些环境如科学家预测的那样非常密集，但另一些却是稀疏的“空旷场地”，这些地方难以支持超大质量黑洞的成长。
麻省理工学院物理学助理教授埃勒斯（Anna-Christina Eilers）在一份声明中说：“与之前的观点相反，我们发现这些类星体平均来说并非总是在早期宇宙的高密度区域。有些类星体似乎就坐落在‘中间地带’。”
她补充道，“如果这些类星体周围几乎没有物质，它们又如何能够长得如此庞大，实在难以解释。”
类星体需要充足的“储备”
科学家认为，在相对现代的宇宙中，所有大质量星系的中心都潜伏着超大质量黑洞。因为没有恒星足够大能坍缩形成这样巨大质量的黑洞，科学家们知道，超大质量黑洞的形成方式与所谓的“恒星质量黑洞”不同，后者质量通常在太阳的10到100倍之间，由大质量恒星的死亡所形成。
根据模型，超大质量黑洞可能通过逐渐合并更大,更大的黑洞而成长，然而问题在于，这个过程通常需要超过10亿年。然而，JWST观测到的超大质量黑洞在远远少于这个时间内形成。
可以观测到这些超大质量黑洞，是因为它们处于被称为“活跃星系核”（AGN）的湍流丰富的气体环境中，并从中吸取物质，这有助于它们的成长。这些环境中的黑洞巨大的质量导致它们周围的扁平气体和尘埃云发出明亮的光芒，往往比其所在星系中所有恒星的总光亮还要耀眼。
这种光芒，比太阳亮上数万亿倍，是类星体的象征。
然而，为了达到如此惊人的亮度，超大质量黑洞需要一个“供应链”来保持其周围充足的气体和尘埃。
埃勒斯说道：“拥有这样一台望远镜，能捕捉到130亿年前的光芒，且细节如此丰富，真是令人惊叹。”
她补充说，“JWST首次使我们能够观察这些类星体的环境，了解它们的成长过程，以及它们的邻域是什么样的。”
为了研究类星体的更广阔环境，团队选择了在2022年8月至2023年6月期间被JWST研究的五个超大质量黑洞驱动的区域。这需要通过“拼接”多个图像来为每个超大质量黑洞的邻域创建类星体场的马赛克图。
通过处理图像中的多个光波段，团队还能够确定这些光是来自类星体的邻近星系，并测量这些星系距离明亮的中心类星体的起源距离。
埃勒斯表示：“我们发现，这五个类星体唯一的区别就是它们的环境看起来如此不同。”
她补充道，“例如，一个类星体周围有近50个星系，而另一个则只有两个。两者在宇宙的大小、体积、亮度和时间上都是相同的。这真是令人惊讶。”
早期的超大质量黑洞是否经历了“生长突变”？
团队的发现挑战了超大质量黑洞成长的观点，甚至对整个星系的形成提出了挑战。目前的理解是，这种进化是由一个庞大的“宇宙网”中的暗物质引导的；暗物质占所有物质的大约85%，但对我们来说基本是“隐形”的。
宇宙网中的暗物质细丝在早期宇宙中引导气体和尘埃，并沿着其巨大的枝杈吸引原始物质。暗物质细丝交汇的地方，过于密集的物质区域得以累积。这里正是早期星系形成的地方，也是首批类星体的诞生之地。
莱顿大学（Leiden University）的研究生,团队负责人皮扎蒂（Elia Pizzati）在声明中说道：“宇宙网中的暗物质是我们宇宙学模型的一个可靠预测，通过数值模拟可以详细描述。”
他补充道，“通过将我们的观测与这些模拟进行比较，我们可以确定类星体在宇宙网中的位置。”
这些位于宇宙网节点中的超大质量黑洞，应该通过宇宙网提供的气体和尘埃稳定且快速地吸积，从而成长为庞大的质量和极致的亮度。然而，科学家们仍需弄清这一切为何在宇宙历史的早期就已经发生。
埃勒斯说：“我们试图回答的主要问题是，这些质量达到十亿太阳质量的黑洞在宇宙仍然非常年轻的时候是如何形成的？它仍处于‘婴儿期’。”
不幸的是，这项研究似乎引发了更多的问题，而不是解决了那些困扰科学家已久的问题。贫瘠的“邻域”似乎表明缺乏暗物质和宇宙网节点的高密度。如果情况真是如此，目前的增长机制理论就无法解释这些类星体的存在。
一种可能的解决方法是，这些早期的类星体实际上被宇宙尘埃包围，因此无法被观测到。
团队计划进一步“调整”他们对这些潜在“空旷”类星体场的观测，以发现任何可能被遮蔽的星系。
埃勒斯总结道：“我们的研究结果表明，关于这些超大质量黑洞如何成长，仍然有重要的一块拼图缺失。
如果某些类星体周围没有足够的物质来支持持续成长，那就意味着它们可能有其他我们尚未弄清的成长方式。”
来源：
https://www.space.com/james-webb ... t-black-hole-quasar
By Robert Lea published 2 days ago
"It's difficult to explain how these quasars could have grown so big if they appear to have nothing to feed from." |
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