麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家觀測(cè)到了宇宙中一些最早的類星體周圍難以捉摸的星光。這些遙遠(yuǎn)的信號(hào)可以追溯到 130 多億年前宇宙的嬰兒期，揭示了第一批黑洞和星系如何演化的線索。

類星體是活躍星系的熾熱中心，其核心處有一個(gè)貪得無(wú)厭的超大質(zhì)量黑洞。大多數(shù)星系的中心都有一個(gè)黑洞，黑洞偶爾會(huì)吞噬氣體和恒星碎片，當(dāng)物質(zhì)向黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)以發(fā)光環(huán)的形式產(chǎn)生短暫的閃光。

相比之下，類星體可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)消耗大量物質(zhì)，形成極其明亮且持久的環(huán)——事實(shí)上，類星體是如此明亮，以至于它是宇宙中最明亮的物體之一。

由于類星體非常明亮，因此其亮度比其所在星系的其他恒星都要高。但麻省理工學(xué)院的研究小組首次觀測(cè)到了三顆古老類星體所在星系中恒星發(fā)出的微弱得多的光線。

根據(jù)這種難以捉摸的恒星光，研究人員估算了每個(gè)宿主星系的質(zhì)量，并將其與中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量進(jìn)行比較。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這些類星體來(lái)說(shuō)，與現(xiàn)代黑洞相比，中心黑洞相對(duì)于宿主星系的質(zhì)量要大得多。

今天發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上的這項(xiàng)研究結(jié)果 或許能解釋，盡管最早的超大質(zhì)量黑洞在相對(duì)較短的宇宙時(shí)間內(nèi)能夠形成如此巨大的質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，與現(xiàn)代黑洞相比，最早的巨型黑洞可能源自更重的“種子”。

“宇宙誕生后，出現(xiàn)了種子黑洞，它們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)吞噬物質(zhì)并不斷生長(zhǎng)，”麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理和空間研究所的博士后、這項(xiàng)研究的作者岳明浩說(shuō)。“最大的問(wèn)題之一是了解這些怪物黑洞是如何如此迅速地長(zhǎng)大的。”

“這些黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的數(shù)十億倍，而當(dāng)時(shí)宇宙還處于起步階段，”研究作者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授安娜·克里斯蒂娜·艾勒斯 (Anna-Christina Eilers) 表示。“我們的研究結(jié)果表明，在早期宇宙中，超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量可能早于其宿主星系，而最初的黑洞種子的質(zhì)量可能比現(xiàn)在更大。”

Eilers 和 Yue 的合著者包括麻省理工學(xué)院 Kavli 主任 Robert Simcoe、麻省理工學(xué)院哈勃研究員和博士后 Rohan Naidu，以及??瑞士、奧地利、日本和北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的合作者。

耀眼核心

自 20 世紀(jì) 60 年代天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)類星體以來(lái)，其極高的光度就顯而易見(jiàn)。他們當(dāng)時(shí)假設(shè)類星體的光來(lái)自一個(gè)類似恒星的“點(diǎn)源”?？茖W(xué)家將這些物體命名為“類星體”，這是“類恒星”物體的混合詞。自首次觀測(cè)以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)意識(shí)到類星體實(shí)際上并非源自恒星，而是由位于星系中心的強(qiáng)大而持久的超大質(zhì)量黑洞的吸積而形成的，這些黑洞也包含恒星，與它們耀眼的核心相比，這些恒星要暗淡得多。

將類星體中心黑洞發(fā)出的光與宿主星系恒星發(fā)出的光區(qū)分開(kāi)來(lái)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這項(xiàng)任務(wù)有點(diǎn)像辨別圍繞著中心巨大探照燈的螢火蟲群??。但近年來(lái)，隨著美國(guó)宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 的發(fā)射，天文學(xué)家有了更好的機(jī)會(huì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。與任何現(xiàn)有天文臺(tái)相比，該望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)更遠(yuǎn)的過(guò)去，靈敏度和分辨率也更高。

在他們的新研究中，岳和艾勒斯利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的專門時(shí)間，從 2022 年秋季到次年春季間歇性地觀察了六個(gè)已知的古老類星體。總的來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這六個(gè)遙遠(yuǎn)物體進(jìn)行了超過(guò) 120 小時(shí)的觀測(cè)。

“類星體的亮度比其宿主星系高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。之前的圖像不夠清晰，無(wú)法分辨出宿主星系及其所有??恒星的樣子，”岳說(shuō)。“現(xiàn)在，我們首次能夠通過(guò)非常仔細(xì)地模擬詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的這些類星體的清晰得多的圖像來(lái)揭示這些恒星發(fā)出的光。”

輕松平衡

研究小組對(duì)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡收集的六個(gè)遙遠(yuǎn)類星體的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估，他們估計(jì)這些類星體大約有 130 億年的歷史。這些數(shù)據(jù)包括對(duì)每個(gè)類星體不同波長(zhǎng)光的測(cè)量。研究人員將這些數(shù)據(jù)輸入一個(gè)模型，該模型表明這些光中有多少可能來(lái)自一個(gè)緊湊的“點(diǎn)源”，比如中心黑洞的吸積盤，而不是一個(gè)更分散的光源，比如來(lái)自宿主星系周圍散落恒星的光。

通過(guò)這種建模，研究小組將每個(gè)類星體的光分為兩個(gè)部分：來(lái)自中心黑洞發(fā)光盤的光和來(lái)自宿主星系更彌散的恒星的光。來(lái)自兩個(gè)光源的光量反映了它們的總質(zhì)量。研究人員估計(jì)，對(duì)于這些類星體來(lái)說(shuō)，中心黑洞的質(zhì)量與宿主星系的質(zhì)量之比約為 1:10。他們意識(shí)到，這與今天的 1:1,000 的質(zhì)量平衡形成了鮮明對(duì)比，在今天的質(zhì)量平衡中，最近形成的黑洞的質(zhì)量比宿主星系小得多。

“這告訴我們什么先增長(zhǎng)：是黑洞先增長(zhǎng)，然后星系趕上來(lái)?還是星系及其恒星先增長(zhǎng)，然后它們主導(dǎo)和調(diào)節(jié)黑洞的增長(zhǎng)?”艾勒斯解釋道。“我們發(fā)現(xiàn)早期宇宙中的黑洞似乎比其宿主星系增長(zhǎng)得更快。這是初步證據(jù)表明，最初的黑洞種子當(dāng)時(shí)可能質(zhì)量更大。”

“一定存在某種機(jī)制，使得黑洞在最初十億年內(nèi)比其宿主星系更早獲得質(zhì)量，”岳補(bǔ)充道。“這是我們看到的第一個(gè)證據(jù)，令人興奮。”