一个质量令人费解的黑洞：JWST的观测揭示了宇宙黎明时一个成熟的类星体

往事随风760

艺术家对类星体明亮核心区域的印象，类星体是一个活跃的星系。中心的超大质量黑洞被一个明亮的气体和尘埃盘包围。更远的尘埃成分会遮挡内部的视野，主要照射在中红外范围内，詹姆斯·韦伯太空望远镜可以分析这些光线。一束束高能粒子束从黑洞附近垂直于圆盘突出到太空中。来源：T.Müller/MPIA

据马克斯·普朗克学会：詹姆斯·韦伯太空望远镜在宇宙的一个特别年轻的阶段观测到了一个星系。回顾过去，很明显，来自J1120+0641星系的光到达地球的时间几乎与宇宙发展到今天的时间一样长。正如独立测量所显示的那样，令人费解的是，当时位于其中心的黑洞的重量竟然超过了10亿太阳质量。研究结果发表在《自然天文学》杂志上。

最近对黑洞附近物质的观察本应揭示一种特别有效的进食机制，但他们没有发现什么特别的东西。这一结果更加不同寻常：这可能意味着天体物理学家对星系发展的了解比他们想象的要少。然而，他们一点也不令人失望。

宇宙历史的前10亿年提出了一个挑战：已知星系中心最早的黑洞质量惊人地大。它们是如何变得如此巨大、如此迅速的？这里描述的新观测结果为反对一些拟议的解释提供了有力的证据，特别是反对最早黑洞的“超有效馈送模式”。

超大质量黑洞增长的极限

恒星和星系在过去138亿年中发生了巨大的变化，这是宇宙的生命周期。星系通过消耗周围的气体或（偶尔）相互融合，变得越来越大，获得了更多的质量。很长一段时间以来，天文学家们一直认为星系中心的超大质量黑洞会随着星系本身逐渐长大。

但黑洞的增长不能任意快。落在黑洞上的物质形成了一个旋转的、热的、明亮的“吸积盘”。当这种情况发生在超大质量黑洞周围时，其结果是一个活跃的星系核。最亮的类星体是整个宇宙中最亮的天体之一。但这种亮度限制了有多少物质可以落入黑洞：光施加压力，可以阻止更多的物质落入黑洞。

黑洞是如何变得如此巨大、如此迅速的？

这就是为什么在过去的二十年里，天文学家们对遥远的类星体的观测揭示了非常年轻的黑洞，但这些黑洞的质量却高达100亿太阳质量，这让他们感到惊讶。光从遥远的物体传播到我们需要时间，所以看遥远的物体意味着看遥远的过去。我们看到了已知最遥远的类星体，因为它们处于一个被称为“宇宙黎明”的时代，距离大爆炸不到10亿年，当时第一批恒星和星系形成。

解释这些早期的大质量黑洞对当前的星系演化模型来说是一个相当大的挑战。难道早期黑洞在吸积气体方面比现代黑洞效率高得多吗？或者尘埃的存在会影响类星体质量的估计，使研究人员高估早期黑洞的质量吗？目前有许多提议的解释，但没有一种被广泛接受。

仔细观察早期黑洞的生长

要决定哪种解释（如果有的话）是正确的，需要比以前更完整的类星体图片。随着JWST太空望远镜，特别是该望远镜的中红外仪器MIRI的出现，天文学家研究遥远类星体的能力发生了巨大的飞跃。对于测量遥远的类星体光谱，MIRI的灵敏度是以前任何仪器的4000倍。

像MIRI这样的仪器是由国际财团建造的，科学家、工程师和技术人员密切合作。当然，财团对测试他们的仪器是否按计划运行非常感兴趣。

作为建造仪器的回报，财团通常会有一定的观测时间。2019年，在JWST发射的几年前，MIRI欧洲联盟决定利用这段时间观测当时已知最遥远的类星体，一个名称为J1120+0641的物体。

观测最早的黑洞之一

分析这些观测结果的责任落在了莎拉·博斯曼博士身上，她是马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）的博士后研究员，也是MIRI欧洲联盟的成员。MPIA对MIRI仪器的贡献包括建造一些关键的内部部件。博斯曼被要求加入MIRI的合作，专门为如何最好地使用该仪器研究早期宇宙，特别是第一个超大质量黑洞提供专业知识。

这些观测是在2023年1月JWST的第一个观测周期进行的，持续了大约两个半小时。它们构成了宇宙黎明时期对类星体的首次中红外研究，距离大爆炸（红移z=7）仅7.7亿年。这些信息不是来自图像，而是来自光谱：物体的光像彩虹一样分解成不同波长的成分。

伴尘和快速移动的气体

中红外光谱（“连续体”）的总体形状编码了典型类星体中围绕吸积盘的大型尘埃环面的性质。这个环面有助于将物质引导到吸积盘上，“喂养”黑洞。

对于那些对早期大质量黑洞的首选解决方案在于替代快速增长模式的人来说，坏消息是：环面，以及这个非常早期的类星体中的馈送机制，似乎与更现代的类星体相同。唯一的区别是，没有任何早期类星体快速生长的模型预测到：尘埃温度略高，比在不太遥远的类星体中发现的最热尘埃的1300 K高出约100开尔文。

光谱中波长较短的部分由吸积盘本身的发射所主导，这表明对于我们这些遥远的观察者来说，类星体的光并没有被比平时更多的尘埃所暗淡。也许我们只是因为额外的尘埃而高估了早期黑洞的质量，这也不是解决问题的办法。

早期类星体“异常正常”

类星体的宽线区域，即气体团以接近光速的速度围绕黑洞运行的区域——这允许推断黑洞质量、周围物质的密度和电离——看起来也很正常。从光谱中几乎可以推断出的所有性质来看，J1120+0641与后来的类星体没有什么不同。

博斯曼说：“总的来说，新的观测结果只会增加神秘感：早期的类星体非常正常。无论我们在哪个波长下观测到它们，类星体在宇宙的所有时期都几乎相同。”。当宇宙年龄仅为当前年龄的5%时，不仅超大质量黑洞本身，而且它们的进食机制显然已经完全“成熟”。

通过排除一些替代解决方案，研究结果有力地支持了这样一种观点，即超大质量黑洞从一开始就具有相当大的质量，用天文学的行话来说：它们是“原始的”或“种子大的”。超大质量黑洞不是由早期恒星的残余形成的，然后质量迅速增长。它们一定是早期形成的，初始质量至少为十万太阳质量，可能是通过早期巨大气体云的坍塌形成的。