詹姆斯·韦伯太空望远镜调查显示超大质量黑洞比预想的要少

黄俊琼

活动星系核插图。鸣谢:欧空局/美国航天局/AVO/保罗·帕多瓦尼

据堪萨斯大学（布兰登·m·林奇）：堪萨斯大学使用詹姆斯·韦伯太空望远镜对宇宙进行了一次调查，发现活动星系核(AGN)——体积迅速增大的超大质量黑洞——比许多天文学家此前假设的要罕见。

这些发现是由JWST的中红外仪器(MIRI)得出的，表明我们的宇宙可能比想象的要稳定一些。这项工作也让人们对昏暗星系的观测、它们的特性以及识别AGN的挑战有了更深入的了解。

在《天体物理学杂志》正式发表同行评议之前，arXiv上发表了一篇新论文，详细介绍了在宇宙演化早期释放科学(CEERS)计划赞助下进行的JWST研究。

这项工作由KU大学物理学和天文学助理教授Allison Kirkpatrick领导，重点关注宇宙中一个被称为扩展Groth Strip的长期研究区域，位于大熊座和botes星座之间。但是以前对该地区的研究依赖于功能较弱的新一代太空望远镜。

柯克帕特里克说:“我们的观测是在去年6月和12月进行的，我们的目标是描述宇宙中恒星形成全盛时期星系的样子。”。“这是对过去70到100亿年时间的回顾。我们使用詹姆斯·韦伯太空望远镜上的中红外仪器来观察过去存在100亿年的星系中的尘埃，这些尘埃可以隐藏正在形成的恒星，也可以隐藏正在生长的超大质量黑洞。因此，我进行了第一次调查，以寻找这些星系中心潜伏的超大质量黑洞。”

虽然每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，但AGN星系是更壮观的剧变，它积极地吸入气体，并显示出典型黑洞所没有的亮度。

Kirkpatrick和许多天体物理学家同事预计，与之前用斯皮策太空望远镜进行的调查相比，分辨率更高的JWST调查将定位更多的AGN。然而，即使MIRI的力量和灵敏度有所提高，在新的调查中也没有发现额外的AGN。



MIRI指向1(右图)旁边的Spizter/IRAC(中)和MIPS(左)对同一地区的观察。鸣谢:Kirkpatrick等人，arXiv (2023)。DOI: 10.48550/arxiv.2308.09750

柯克帕特里克说:“结果看起来与我预期的完全不同，这是我第一次感到惊讶。”。“一个重要的发现是快速增长的超大质量黑洞的稀缺。这一发现引发了关于这些物体下落的疑问。事实证明，这些黑洞的增长速度可能比之前认为的要慢，这很有趣，考虑到我检查的星系与我们过去的银河系很相似。使用斯皮策的早期观测只允许我们研究最亮、最大质量的星系，这些星系具有快速增长的超大质量黑洞，使它们很容易被探测到。”

柯克帕特里克说，天文学中一个重要的秘密在于理解典型的超大质量黑洞，如在银河系等星系中发现的黑洞，是如何增长和影响它们的宿主星系的。

“这项研究的发现表明，这些黑洞没有快速增长，吸收了有限的物质，也许没有显著影响它们的宿主星系，”她说。“这一发现开启了黑洞增长的全新视角，因为我们目前的理解很大程度上是基于最大星系中最大质量的黑洞，这些黑洞对它们的宿主有着重大影响，但这些星系中较小的黑洞可能不会。”

KU天文学家说，另一个令人惊讶的结果是这些星系中缺乏尘埃。

“通过使用JWST，我们可以识别比以前小得多的星系，包括银河系大小或甚至更小的星系，这在这些红移(宇宙距离)下是不可能的，”柯克帕特里克说。“通常，最大质量的星系由于其快速的恒星形成速率而拥有丰富的尘埃。我曾假设质量较低的星系也会包含大量的尘埃，但它们没有，这出乎我的意料，提供了另一个有趣的发现。”

根据Kirkpatrick的说法，这项工作改变了对星系如何成长的理解，特别是关于银河系。

“我们的黑洞似乎很平静，没有显示出太多的活动，”她说。“关于银河系的一个重要问题是，它是否曾经活跃过，或者经历过一个AGN阶段。如果像我们这样的大多数星系缺乏可探测的AGN，这可能意味着我们的黑洞在过去从未如此活跃过。最终，这些知识将有助于限制和测量黑洞质量，揭示黑洞增长的起源，这仍然是一个没有答案的问题。”

Kirkpatrick最近在JWST赢得了重要的新时间，与MIRI一起对延伸的Groth带状油田进行了更大的调查。她目前的论文包括了大约400个星系。她即将进行的调查(MEGA: MIRI EGS星系和AGN调查)将包括大约5000个星系。这项工作计划于2024年1月完成。