发现一颗最遥远的超大质量黑洞

作者: Zwicky

来源: https://www.nature.com/articles/nature25180

发布日期: 2017-12-07

天文学家在早期宇宙中发现了一个迄今为止已知的最遥远的超大质量黑洞,位于类星体J1342 + 0928的中心,质量为8亿倍的太阳质量,红移为7.54,表明其存在于宇宙大爆炸后的6.9亿年。这一发现提出了关于黑洞形成和早期宇宙状态的问题,有助于理解第一批恒星的形成和宇宙的再电离时期。

天文学家认为,在大多数的星系中都隐藏着一个超大质量黑洞。例如,我们所栖息的银河系就是这样,在其中心的黑洞质量约为太阳的400万倍。关于黑洞,一直有着种种困扰我们的未知谜题,其中一个便是:这些超大质量黑洞究竟是如何形成、以及需要多长的时间才能达到如此巨大的质量的?现在,天文学家在早期宇宙中,发现了一个迄今为止已知的最遥远的超大质量黑洞,它的出现使我们更加的困惑。

我们之所以会发现这个黑洞是因为它位于一个超级明亮的类星体J1342 + 0928的中心。类星体是一类离地球最远、能量最高的活动星系核,它之所以能够释放出如此巨大的光芒,是因为中央的超大质量黑洞通过吸积周围的物质,将引力能转化为电磁波释放出来。

计算表明,由于黑洞附近的引力如此之强,被吸积物质的静止能量(E=mc²)的10%以上可被转化为电磁波辐射出来,远大于氢聚变成氦的所释放出的能量(△E=0.007mc²)。因此,通过观察遥远类星体J1342 + 0928的亮度,我们可以计算出它所包含的黑洞的质量,得出的结果为8亿倍的太阳质量!这简直就是黑洞中的哥利亚。

不仅如此,天文学家观测到该类星体的红移为7.54,意味着我们探测到的光线是来自宇宙大爆炸后的6.9亿年(仅为目前宇宙年龄的5%)。这是宇宙历史中非常关键的一个时期。它的发现或许可以帮助我们揭开第一批恒星的形成之谜。在大爆炸后,宇宙充满了炽热的高能粒子。随着宇宙快速的膨胀,这些粒子逐渐的冷却并凝聚成中性氢气,那个时期被称为黑暗时期。

最终,在引力的作用下,物质凝聚形成第一批恒星和星系,产生了组成光的粒子——光子。由于越来越多的恒星在宇宙中被点亮,它们辐射出的光子与中性氢反应,将气体离子化,使宇宙迎来了再电离时期。天文学家推断,这个新发现的类星体便存在于这个重大的转变时期。他们利用一个叫做FIRE的分光仪进行分析后发现,有一大部分围绕在该类星体周围的氢气均为中性。

因此他们推断,该类星体被发现的时期,宇宙正好处于一半中性和一半电离。基于这个结论,他们推断第一批恒星应该是在这个时期诞生的。然而,我们依旧无法回答——为什么在宇宙如此年轻的时候,就能快速形成如此巨大的黑洞——这一问题。或许你会认为也许它正好处于宇宙中非常致密的区域,在它的周围有很多可以使它更迅速成长的物质。

但这个假设还不足以解决这个谜团,因为黑洞吸积物质的速度越快,物质释放出的光芒就越多,从而光压和热压就会把物质推离黑洞。这就是所谓的爱丁顿极限,它给黑洞增长的速度设置了一个上限。要在如此短的时间内形成质量为8亿倍太阳质量的黑洞,它所吸积的物质与这个极限将十分接近。因此,肯定存在着某些其它的机制来解释它的形成,只是我们还不得而知。

另外,我们也不知道,像这样的黑洞在早期的宇宙是否是典型普遍的,还是它本身就是非同寻常的。答案,只有在早期宇宙中找到更多这样的类星体才能揭晓。如果我们能找到,也将帮助我们理解超大质量黑洞和它们的宿主星系是如何形成的。

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