詹姆斯·韦伯太空望远镜认为超大质量黑洞是由沉重的宇宙“种子”形成的

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詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的类星体J0148及其中心的超大质量黑洞的图像（图片来源：NASA/Yue等人）

据美国太空网（Robert Lea）：詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到了宇宙中一些早期超大质量黑洞周围恒星发出的光，这些黑洞在大爆炸后不到10亿年就被视为黑洞。

麻省理工学院（MIT）的一个团队进行的观测解决了这些位于星系中心的宇宙巨星是如何成长为巨大质量的问题，相当于数百万（有时甚至数十亿）个太阳。更具体地说，它们是如何快速生长的？这些发现也可以回答这个谜：首先是什么，星系还是超大质量黑洞？

麻省理工学院团队观察到的超大质量黑洞以周围的物质为食，在一个称为吸积盘的物质盘中产生巨大的潮汐力，从而导致吸积盘本身发光。这种进食情况为位于活跃星系中心的类星体提供动力。类星体是宇宙中最明亮的天体之一，其中一些非常明亮，它们的亮度超过了周围星系中每颗恒星的组合光。

超大质量黑洞也被神秘所包围——尤其是在宇宙138亿年历史中，早于10亿年的时候。这是因为黑洞的持续合并过程，科学家认为超大质量黑洞会随着时间的推移而增长，这一过程应该需要数十亿年的时间才能进行。那么，这些巨大的空洞怎么会在宇宙大爆炸后仅仅10亿年就存在呢？

好吧，有一种说法是，它们是由所谓的“重种子”黑洞形成的，是领先的。

通过使用JWST观测来自六个古老类星体宿主星系恒星的微弱光线，麻省理工学院团队首次收集到证据，证明早期宇宙中的超大质量黑洞确实是由重种子形成的。

团队成员、麻省理工学院物理学助理教授Anna Christina Eilers在一份声明中表示：“在宇宙仍处于婴儿期的时候，这些黑洞的质量是太阳的数十亿倍。”。“我们的研究结果表明，在早期宇宙中，超大质量黑洞可能比宿主星系更早获得质量，而最初的黑洞种子可能比今天更大。”

先来的是什么？黑洞还是它的星系？

类星体的强烈亮度是在20世纪60年代发现的，最初被认为起源于一个类似恒星的点。这导致了“类星体”的名字，它是“准恒星”物体的组合。然而，研究人员很快发现，类星体实际上是由星系中心的超大质量黑洞吸积大量物质引起的。

然而，这些物体也被恒星包围，恒星要暗得多，更难观察。这是因为这些恒星的光被恒星轨道上的类星体更明亮的光冲走了。因此，将光从类星体和周围恒星中分离出来绝非易事，就像看到萤火虫坐在一英里外灯塔的灯上一样。

然而，JWST比以往任何一台望远镜都能追溯到更远的时间，再加上其高灵敏度和高分辨率，使这一挑战变得不那么艰巨。因此，麻省理工学院的团队成功地观测到了来自古代星系中六个类星体的光，这些光已经传播到地球大约130亿年了。

麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所博士后、团队成员岳明浩说：“类星体的亮度比宿主星系高出几个数量级。以前的图像不够清晰，无法区分宿主星系及其所有恒星的样子。”。“现在，我们第一次能够通过非常仔细地建模JWST对这些类星体的清晰图像来揭示这些恒星发出的光。”



活动星系中心的类星体插图（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院）

JWST的数据包括对六个类星体中每一个在一系列波长上的光发射的测量。然后，这些信息被引入到一个计算机模型中，详细说明了这些光中有多少可以归因于紧凑的点源——黑洞周围的吸积盘——以及有多少可以归功于更漫射的源——散射在星系周围的恒星。

通过将光分为两个来源，该团队还能够推断出这些星系的两个元素的质量。这表明，超大质量黑洞的质量约等于其周围恒星质量的10%。

虽然这听起来像是有利于恒星的巨大不平衡，但考虑一下在现代星系中，中心超大质量黑洞的质量仅为其周围星系恒星的0.1%。

Eilers说：“这告诉我们什么是首先生长的：是黑洞首先生长，然后星系赶上了吗？还是星系及其恒星首先生长，并控制和调节黑洞的生长？”。“我们看到，早期宇宙中的黑洞似乎比它们的宿主星系生长得更快。

“这是初步证据，表明当时最初的黑洞种子可能更大。”

岳总结道：“宇宙诞生后，出现了种子黑洞，这些黑洞消耗了物质，并在很短的时间内生长。其中一个大问题是了解这些巨大的黑洞是如何生长得如此之大、如此之快的。”。“在最初的十亿年里，一定有某种机制使黑洞比宿主星系更早地获得质量。

“这是我们看到的第一个证据，令人兴奋。”

该团队的研究结果发表在《天体物理杂志》上。