詹姆斯·韦伯太空望远镜发现早期宇宙中生长的“极红”超大质量黑洞

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一幅插图显示了早期宇宙中一个极端的红色超大质量黑洞。（图片来源:Robert Lea（与Canva共同创作））

（）据美国太空网（罗伯特·李）：利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），天文学家发现了一个“极度红色”的超大质量黑洞，它生长在阴暗的早期宇宙中。

大爆炸后大约7亿年的超大质量黑洞的红色色调是宇宙膨胀的结果。随着宇宙向四面八方膨胀，向我们传播的光发生了“红移”，在这种情况下，红移的光表明黑洞周围覆盖着厚厚的气体和尘埃。

由内盖夫本古里安大学的卢卡斯·富尔塔克和阿迪·齐特林领导的天文团队在检查JWST数据时，也能够确定超大质量黑洞的质量。它的质量约为太阳的4000万倍，与它所在的星系相比，质量大得出人意料。

研究小组还发现，距离地球约129亿光年的超大质量黑洞正在迅速吞噬周围的气体和尘埃。换句话说，它在增长。

“当JWST开始发送第一批数据时，我们非常兴奋。富尔塔克在一份声明中说:“我们正在扫描‘发现计划’收到的数据，三个非常紧凑却绽放着红色光芒的物体引人注目。“它们的‘红点’外观立即使我们怀疑它是一个类星体。“

“三个红点”

类星体是在大量物质围绕像这样的超大质量黑洞时产生的。这种物质形成了一个由气体和尘埃组成的圆盘，称为吸积盘，逐渐为黑洞提供营养。黑洞巨大的引力影响搅动着这种物质，产生极高的温度并使其发光。

此外，没有落入超大质量黑洞的物质被引导到宇宙泰坦的两极。这些区域中的粒子被加速到接近光速，成为高度准直的喷流。当这些相对论性喷流喷出时，爆发伴随着明亮的电磁辐射。

由于这些现象，由活动星系核（AGN）中的超大质量黑洞驱动的类星体通常非常明亮，以至于它们发出的光经常比周围星系中每颗恒星发出的光总和还要亮。

从这个特殊的超大质量黑洞周围发出的大量辐射使它在JWST数据中呈现出一个小点状外观。

“对该天体颜色的分析表明，它不是一个典型的恒星形成星系。“这进一步支持了超大质量黑洞假说，”匹兹堡大学的雷切尔·贝赞森在声明中说。“结合其紧凑的尺寸，很明显这可能是一个超大质量黑洞，尽管它仍然不同于早期发现的其他类星体。”

如果没有阿尔伯特·爱因斯坦在1915年预测的一种效应的帮助，早期的类星体甚至对JWST强大的红外眼都是不可见的。

爱因斯坦的透镜

爱因斯坦的广义相对论表明，大质量物体扭曲了时空结构，时空真正统一为一个称为“时空”的实体。该理论继续认为重力是弯曲的结果。一个物体的质量越大，时空的曲率就越“极端”。

因此，这种曲率不仅告诉行星如何围绕恒星和恒星运动，以及如何围绕其所在星系的中心运动，而且还改变了来自这些恒星的光的路径。

光传播的距离物体越近，其路径就越“弯曲”。因此，来自单个背景物体的不同光路会被前景或“透镜物体”弯曲，并改变背景物体位置的外观。有时，这种效果甚至会导致背景物体出现在同一幅天空图像的多个地方。其他时候，来自背景物体的光被简单地放大，而那个物体也被放大。

这种现象被称为“引力透镜”



一张图显示了来自背景物体的光如何被前景物体弯曲。（图片来源:美国国家航空航天局、欧空局和l .卡尔阿达）

在这种情况下，JWST使用了一个名为Abell 2744的星系团作为前景透镜体来放大来自背景星系的光，否则这些星系太远而无法看到。这揭示了他们瞄准的极度红色类星体，最初是三个红点的形式。

“我们使用为星系团构建的数字透镜模型来确定三个红点必须是同一背景源的多个图像，在宇宙只有7亿岁时看到的，”齐特林说。



艺术家对超大质量黑洞及其强大喷流的印象。天文学家想知道这些物体在早期宇宙中是如何达到巨大质量的。（图片来源:NRAO/AUI/国家科学基金会）

对背景光源的进一步分析显示，它的光一定来自一个致密区域。

“那个星系的所有光线都必须在一个今天星团大小的微小区域内。研究小组成员、普林斯顿大学研究员珍妮·格林在声明中说:“光源的引力透镜放大倍数为我们提供了精确的尺寸限制。”“即使将所有可能的恒星都装进这么小的区域，黑洞最终也至少占系统总质量的1%。”

这一发现进一步揭开了超大质量黑洞的神秘面纱，这些黑洞的质量可能是太阳的数百万倍（甚至数十亿倍），它们是如何在宇宙婴儿期发展到如此巨大的规模的。

格林说:“早期宇宙中的其他几个超大质量黑洞现在也被发现表现出类似的行为，这导致人们对黑洞和宿主星系的增长以及它们之间的相互作用产生了一些有趣的看法，这种看法还没有得到很好的理解。”

随着时间的推移，JWST探测到了大量的“小红点”。这些也可能表明在早期宇宙中为超大质量黑洞提供能量的类星体提供能量，这可能意味着一个惊人的黑洞增长难题可能很快得到解决。

“在某种程度上，这相当于天体物理学中的鸡和蛋问题，”齐特林总结道。“我们目前不知道哪个先出现——星系还是黑洞，第一批黑洞有多大，以及它们是如何增长的。”

该团队的研究于2月14日发表在《自然》杂志上。