觀測結果表明，一些最早的“怪物”黑洞是從巨大的宇宙種子中生長出來的。

麻省理工學院的天文學家已經觀測到宇宙中一些最早的類星體周圍難以捉摸的星光。這些遙遠的信號可以追溯到130多億年前宇宙的嬰兒期，爲我們揭示第一批黑洞和星系是如何演化的提供了線索。

類星體是活躍星系的熾熱中心，其核心有一個永不滿足的超大質量黑洞。大多數星系的中心都有一個黑洞，這個黑洞偶爾會吞噬氣體和恒星碎片，當物質向黑洞旋轉時，它會以發光環的形式産生短暫的光爆發。

相比之下，類星體可以在更長的時間內消耗大量的物質，産生一個極其明亮和持久的環 —— 如此明亮，事實上，類星體是宇宙中最明亮的物體之一。

因爲它們非常明亮，類星體比它們所在星系的其他部分都要亮。但麻省理工學院的研究小組首次能夠觀察到來自三個古老類星體宿主星系的恒星發出的微弱得多的光。

根據這種難以捉摸的恒星光，研究人員估計了每個宿主星系的質量，並將其與中心超大質量黑洞的質量進行了比較。他們發現，與現代類星體相比，這些類星體的中心黑洞相對于它們的宿主星系要大得多。

今天發表在《天體物理學雜志》上的這一發現，可能會揭示最早的超大質量黑洞是如何在相對較短的宇宙時間內成長爲如此巨大的。特別是，那些最早的怪物黑洞可能比現代黑洞從更大的“種子”中萌芽。

該研究的作者、麻省理工學院Kavli天體物理與空間研究所的博士後嶽明浩（音譯）說：“宇宙形成後，有一些種子黑洞，然後它們消耗了物質，並在很短的時間內成長起來。其中一個重要的問題是，理解這些怪物黑洞是如何長得如此之大、如此之快的。”

“這些黑洞的質量是太陽的數十億倍，而此時宇宙還處于嬰兒期，”研究作者、麻省理工學院物理學助理教授安娜-克裏斯蒂娜·埃勒斯說。“我們的研究結果表明，在早期宇宙中，超大質量黑洞可能比它們的宿主星系更早獲得質量，最初的黑洞種子可能比現在更大。”

安娜-克裏斯蒂娜·埃勒斯和嶽明浩的合著者包括：麻省理工學院Kavli主任羅伯特·錫姆科（Robert Simcoe），麻省理工學院哈勃研究員和博士後羅漢·奈杜（Rohan Naidu），以及瑞士，奧地利，日本和北卡羅來納州立大學的合作者。

令人眼花缭亂的核心

自從天文學家在20世紀60年代首次發現類星體以來，類星體的極端亮度就已經很明顯了。他們當時假設，類星體的光來自一個單一的、類似恒星的“點源”。科學家將這些天體命名爲“類星體”，這是“准恒星”天體的合成詞。自從第一次觀測以來，科學家們已經意識到類星體實際上不是恒星的起源，而是來自位于星系中心的強大而持久的超大質量黑洞的吸積，這些黑洞也有恒星，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出的光，與宿主星系的恒星發出的光分開是極具挑戰性的。這項任務有點像在一個巨大的中央探照燈周圍識別一群螢火蟲。但近年來，隨著美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的發射，天文學家有了更好的機會來做到這一點，它已經能夠觀察到更久遠的時間，並且比任何現有的天文台都具有更高的靈敏度和分辨率。

在他們的新研究中，埃勒斯和嶽明浩利用JWST上的專門時間，從2022年秋天到次年春天，間歇性地觀察了六個已知的古老類星體。總的來說，該團隊收集了對六個遙遠天體的120多個小時的觀察結果。

“這顆類星體比它的宿主星系亮了幾個數量級。先前的圖像不夠清晰，無法區分宿主星系及其所有恒星的樣子，”嶽明浩說。“現在，我們第一次能夠通過非常仔細地模擬JWST對這些類星體的更清晰的圖像，來揭示這些恒星的光線。”

光平衡

研究小組對JWST收集的6個遙遠類星體的成像數據進行了評估，他們估計這些類星體大約有130億年的曆史。這些數據包括對每個類星體不同波長光的測量。研究人員將這些數據輸入到一個模型中，計算有多少光可能來自緊湊的“點源”，比如中央黑洞的吸積盤，而有多少光可能來自更分散的光源，比如來自宿主星系周圍分散的恒星的光。

通過這個模型，研究小組將每個類星體的光分成兩個部分：來自中央黑洞發光盤的光和來自宿主星系更分散的恒星的光。來自兩個光源的光量是它們總質量的反射。研究人員估計，對于這些類星體，中心黑洞的質量與宿主星系的質量之比約爲1:10。他們意識到，這與今天1:10 00的質量平衡形成了鮮明對比，在今天的質量平衡中，新形成的黑洞比它們的宿主星系要小得多。

“這告訴我們什麽最先生長：是黑洞先生長，然後星系才會趕上嗎？或者，是星系和它的恒星首先生長，然後它們主導和調節黑洞的生長？”埃勒斯解釋道。“我們看到，早期宇宙中的黑洞似乎比它們的宿主星系增長得更快。這是初步的證據，表明最初的黑洞種子可能比當時更大。”

嶽明浩補充說：“在最初的10億年裏，一定有某種機制使黑洞比宿主星系更早地獲得質量。這是我們看到的第一個證據，這很令人興奮。”

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！