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古老?巨大?超重?这是一个怎样的黑洞

来源:天文在线    2021-07-19  赞(5)  评论(0)

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近日科学家发表声明称观测到了迄今为止发现的最古老同时也是最大质量的黑洞,该黑洞位于类星体中心,自大爆炸后6.7亿年形成,其质量之大令科学家们非常费解。

自宇宙诞生之日起,第一束光历经了几百万年才照耀进来。第一代星球逐渐成形,而古老的星系们也随之而来。在这些星系的中心,气体和尘埃围绕着超重黑洞盘旋,逐渐形成了整个宇宙中最亮的天体——类星体。

类星体让我们得以一窥宇宙的起源,科学家们则借助望远镜追溯了这些宇宙猛兽的过往。

 

图源:bkimg.

最近,研究团队宣布发现了迄今为止观测到最远的类星体,可追溯到宇宙大爆炸后6.7亿年前。同时发现的还有迄今为止观测到的最古老的黑洞。但这个黑洞的“高寿”还不是其最引人注意的特点,最令人惊叹的是它的超大质量。而科学家们也无法解释它是如何“生长”到如此巨大的。

这项发现是在美国天文学会周二的第237次会议上公布的,详细信息则刊登在《天体物理学期刊快报》出版的一项研究中。

背景——类星体于20世纪60年代被首次发现,之所以称之为“类星体”是因为他们类似恒星。单个类星体释放出的亮光相当于万亿颗恒星发出的光,且类星体的体积远大于太阳系的体积

科学家认为银河系中有大量的气体和灰尘,这些气体和灰尘的中心是黑洞,类星体就来自这个黑洞,黑洞吞食周围的物质,形成吸积盘,吸积盘由黑洞吞食的过热物质组成。

图源: bkimg

由于能量过高,类星体常常向银河系发射出亮光。

最新消息——科学家们希望通过这些古老的类星体,能探寻出早期宇宙的真实情况。此外,科学家们还希望借助类星体能够进一步研究银河系和中心黑洞之间的关系。

图源:image.baidu

美国亚利桑那大学的一支科研团队发现了迄今为止最远的类星体,距离地球130.3亿光年。这表明,宇宙6.7亿岁时,类星体就已经出现了。(天文学家认为现在宇宙已经1.38百亿岁,类星体出现时,宇宙只有现在的五分之一岁。)

概念图:类星体J0313-1806及其中心超大质量黑洞 图源:NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

类星体J0313-1806比太阳亮超过十万亿倍,其能量是银河系能量的1000倍。

类星体的核心是一个超大质量黑洞,该黑洞的质量相当于16亿个太阳。银河系中心的超大质量黑洞也只相当于0.1367亿个太阳,类星体还真是个巨无霸。

最近的研究数据也表明,类星体会产生一股超高温气体,这股气体会以高速风的形式从黑洞周围流出,流出的速度为三分之一光速。

尚未可知:超大质量黑洞是如何在宇宙初期形成的,又是如何膨胀至此。换言之,黑洞怎么有时间吞食这么多物质?

美国亚利桑那大学Hubble Fellow 获奖者,新论文的第一作者,王飞格,曾在演讲中提到:“早期重恒星产生的黑洞在短短几亿年的时间里很难形成如此巨大的体积。”

科学家们认为黑洞是在某颗重恒星,也就是爆发性超新星灭亡后产生的,或是通过吞食银河系内部第一代恒星产生的。而随着时间的推移,黑洞仍在继续吞食周围的物质。

图源:image.baidu

新的研究表明,如果黑洞早在大爆炸后的一亿年就形成并快速膨胀,那么它现在应该相当于10,000个太阳的质量,远远小于如今的16亿个太阳的质量。

本研究的合著作者,樊晓辉教授,执教于亚利桑那大学天文学系,曾在一次演讲中提到:“黑洞一定是源于某一种特殊机制。”他还说道:“在本研究中,大量的原始冷氢气形成了初代的黑洞。”

除了超大体积,黑洞每年仍在继续吞食质量相当于25个太阳的物质。科学家们认为,因为黑洞吞食了新生恒星出现的所有气体和必备物质,所以这种体积的超大质量黑洞在早期宇宙是导致古银河系不再产生新生恒星的主要原因。

接下来——在宇宙早期,由于黑洞与寄主星系之间的关系不稳定,导致科学家们很难研究星系的形成及发展过程,以及超大质量黑洞在此过程中的影响。

NASA的詹姆斯·韦伯望远镜将于2021年10月31日发射升空,研究人员希望能够借此进一步观测这颗类星体,并寻找到早期宇宙中更多的类星体。

图源:image.baidu

摘要:类星体是研究超大质量黑洞形成过程以及宇宙再电离的唯一途径。尽管科学家们作出了大量的努力,但是目前为止只发现了两颗类星体红移(z)大于等于7.5,在选择类星体时同时考虑到其低密度空间和高污染率。J03131806号类星体,红移(Z)=7.642,是目前已知的距离地球最远的类星体,其热光度为3.6×1013L。深度光谱观测显示这颗类星体内有一个质量为(1.6±0.4)×109M的黑洞。大爆炸后仅6.7亿年就出现如此体积巨大的超大质量黑洞,这不符合传统理论中超大质量黑洞的膨胀模式。

此外,类星体光谱显示出明显的宽吸收线(BAL)有:CIV和SiIV,其最大速度接近20%光速。BAL的特征,以及蓝移CIV发射谱线证明有强活动星系核(AGN)流出。ALMA observations通过探测类星体宿主星系的粉尘连续体和CII排放,得出了精确的红移,为7.6423±0.0013,据此,他们认为类星体位于一个存在大量恒星的星系,其恒星形成率为200 M yr1,灰尘质量为7×107 M。根据再电离时代的观测,在早期大质量星系扩大的过程中,宽吸收线(BAL)类星体将成为研究活动星系核的影响的重要工具。

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