来自JWST的新发现：黑洞如何从创造恒星转变为冷却恒星

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随着红移的减少，恒星形成率和黑洞增长从正反馈占主导地位的状态过渡到反馈很大程度上为负反馈的较晚时期。致谢:史蒂文·伯罗斯、罗斯玛丽·怀斯和米奇·伯格尔曼。

（）据JILA（凯纳·休斯·卡斯尔伯里）：天文学家长期以来一直试图了解早期宇宙，多亏了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），谜题的一个关键部分出现了。望远镜的红外探测“眼睛”已经发现了一系列红色小点，这些小点被确定为宇宙中最早形成的一些星系。

这一惊人的发现不仅仅是一个视觉奇迹，它还是一条线索，可以解开星系及其神秘黑洞如何开始宇宙之旅的秘密。

“詹姆斯·韦伯的惊人发现是，宇宙中不仅有这些非常致密的红外明亮物体，而且它们可能是已经存在巨大黑洞的区域，”JILA研究员兼科罗拉多大学博尔德天体物理学教授米奇·贝格尔曼解释说。“这被认为是不可能的。”

贝格尔曼和包括约翰·霍普金斯大学天文学教授乔·西尔克在内的其他天文学家团队在天体物理学杂志《快报》上发表了他们的发现，表明需要新的星系创造理论来解释这些巨大黑洞的存在。

“需要一些新的东西来调和星系形成理论和新数据，”这项潜在开创性研究的主要作者西尔克阐述道。

星系形成的传统故事

天文学家此前在思考星系如何形成时假设了某种程度上有序的演化。传统理论认为星系是在数十亿年间逐渐形成并聚集在一起的。在这个缓慢的宇宙演化过程中，恒星被认为首先出现，照亮了原始的黑暗。

“当时的想法是，从早期的恒星发展到真正由恒星主导的星系，”伯吉尔曼补充道。“然后，在这个过程的最后，你开始构建这些黑洞。“

超大质量黑洞，那些神秘而强大的实体，被认为出现在第一批恒星之后，在银河系核心悄悄生长。他们被视为监管者，偶尔会突然采取行动抑制新恒星的形成，从而维持银河系的平衡。

挑战传统智慧

由于JWST对“小红点”的观测，研究人员发现宇宙中的第一批星系比预期的更亮，因为许多星系显示出恒星与被称为类星体的中心黑洞共存。

“类星体是宇宙中最明亮的物体，”西尔克解释说。“它们是气体吸积到星系核心的大质量黑洞上的产物，这些黑洞产生巨大的亮度，使它们的宿主星系黯然失色。他们就像布谷鸟窝里的怪物。”

看到恒星与黑洞共存，研究人员很快意识到星系形成的传统理论肯定有缺陷。“（这一新数据）看起来（过程）是相反的，这些黑洞与第一批恒星一起形成，然后银河系的其余部分随之形成，”伯吉尔曼说。“我们是说，黑洞的增长最初会促进恒星的形成。只有在后来条件发生变化时，它才会切换到关闭恒星的模式。”

从这个拟议的新过程中，研究人员发现恒星形成和黑洞形成之间的关系似乎比预期的更密切，因为每一个最初都通过一个称为正反馈的过程放大了另一个的增长。

“恒星的形成加速了大规模黑洞的形成，反之亦然，在暴力、诞生和死亡的不可分割的相互作用中，这是星系形成的新灯塔，”西尔克说。

然后，在近10亿年后，孕育中的巨行星变得具有抑制性，耗尽了星系中的气体储备并抑制了恒星的形成。这种“负反馈”是由于能量守恒外流——强劲的风将气体赶出星系，使它们缺乏创造新恒星所需的材料。

新的星系时间线

凭借对黑洞养育行为的揭示，研究人员提出了一个新的时间线，用于说明早期星系形成中从正反馈到负反馈的转变。通过观察这些“小红点”发出的不同光谱和化学特征，研究人员认为这种转变发生在大约130亿年前，即大爆炸后10亿年，这一时期被天文学家归类为“z ≈6”。

确定这个过渡时期有助于天文学家锁定宇宙历史上的特定时期进行观察。它可以指导未来使用JWST等望远镜更有效地研究早期宇宙的观测策略。此外，通过了解这种转变发生的时间，天文学家可以更好地了解现代星系的特征，包括大小、形状、恒星组成和活动水平。

验证新流程

为了验证恒星和黑洞之间合作形成星系的新理论，并进一步深入了解相关过程，需要进行计算机模拟。

“这需要一些时间，”伯吉尔曼说。“目前的计算机模拟相当原始，你需要高分辨率才能理解一切。它需要大量的计算能力，而且价格昂贵。”

在此之前，天文学界可以采取其他步骤来审查和验证这一新理论。

“下一步将来自更好的观察，”西尔克补充道。“JWST研究最遥远星系光谱的全部力量将在未来几年得到释放。“

贝格尔曼和西尔克都对他们领域的其他人采纳他们提出的想法持乐观态度。

“据我所知，我们是第一个朝这个极端方向发展的人，”伯吉尔曼补充道。“这些年来，我和我的合作者们在研究黑洞形成的问题上有点突破了极限。但JWST向我们表明，我们没有跳出框框思考。”