黑洞的饕餮盛宴——宇宙大爆炸15亿年之后的吃货狂欢_风闻

原创：牧夫天文

作者:MATT WILLIAMS

编译:张砚斌

校对:尼安吉 王婧彧 王茸

美编:刘炎成

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：https://www.universetoday.com/144458/black-holes-were-already-feasting-just-1-5-billion-years-after-the-big-bang/

多亏了现代望远镜能力的大幅度提高，天文学家们已经可以探测更深的星空，追溯更远的过去。正因为如此，一些关于宇宙大爆炸之后，宇宙如何发展变化的未解之谜已经能够被解决。其中一个问题是：在星系形成过程中发挥重大作用的超大质量黑洞(SMBHs)是如何在早期宇宙形成的。

通过使用智利欧南台甚大望远镜，一队国际天文学家观测到出现在大爆炸后15亿年的星系（大约在125亿年前）。令人惊喜的是， 他们观测到大量能为超大质量黑洞提供充足“食物来源“的冷氢气。这些结果也许能解释为什么这些超大质量黑洞在”宇宙黎明“阶段会成长得如此迅速。

这个小组由马克斯普朗克天文研究所和天体物理研究所的Emanuele Paolo Farina教授领导。同时来自各个机构的其他学者也参与其中，比如来自马克斯普朗克天文研究所，马克斯普朗克天体物理研究所，欧南台，加州大学圣塔芭芭拉分校，阿赛特里天体物理台，博洛尼亚天体物理与空间科学天文台，以及马克斯普朗克地外物理研究所的学者。

天文学家已经研究超大质量黑洞数十年。这些黑洞主要存在于大部分星系的中心并且由它们的活动星系核识别。这些星系核也被称为类星体，能够释放出比星系其余恒星总和还要多的能量和光。迄今为止，观测到的最远的类星体是131亿光年外的ULAS J1342+0928。

据估计，在大爆炸后的约十万年（大约138亿年前），第一批恒星形成，这也就意味着超大质量黑洞必须要在第一批恒星消亡后快速形成。然而直到现在，天文学家们依然没能找到早期宇宙中足够多的尘埃和气体去解释这种超大质量黑洞的快速形成。

除此之外，先前通过阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列的观测，我们得知早期星系包含有很多的尘埃和气体从而加快了恒星形成。而这些发现表明，已经没有足够的剩余物质去填饱黑洞。这种情况让为什么超大质量黑洞成长如此之快这个问题更加难以理解。

为了解决这个问题，

Farina和他的同事们依靠由甚大望远镜的多部件光谱探测仪（MUSE）收集来的数据去巡视大约125亿光年外的31个类星体（观测这些类星体125亿年前的样子）。这让他们的调查成为最大的早期宇宙类星体样本之一。通过这项研究，他们发现的是12个延展的高密度氢云。

上图中间橘黄色的就是类星体，两端有射流中间是超大质量黑洞。闪烁的氢气气体光晕呈现出蓝色

Credit: https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2019/12/eso1921b.jpg

这些氢云可以通过他们自身在紫外波段下特有的微光而确定。根据距离和红移现象（由于宇宙膨胀而导致光的波长被拉长），地面望远镜可以以红光的形式探测到这些微光。正如Farina在马克斯普朗克天文研究所的一篇新闻稿中解释道:“关于闪烁气体出现的最可能的解释是荧光原理。氢气把富含能量的类星体辐射转化为特定波长的可见光。这就是能够被注意到的微光。

低温致密的氢云的质量是太阳的几十亿倍；由这些氢云形成并围绕着早期星系的光晕能够延伸到中心黑洞十万光年之外的地方。通常来说，探测到那些围绕着高亮类星体的星云是相当困难的。但是多亏了高灵敏度的多部件光谱探测仪，这个团队很快就发现了它们，而Farina更是把MUSE描述为“革命性的改变”。

正如参与这项研究的马克斯普朗克天文研究所调查员 Alyssa Drake所说：“根据现有的研究，我们只能初步调查第一个超大质量黑洞是如何发展那么快的，但是像MUSE这样的新设备和将来的詹姆斯韦伯空间望远镜将会帮助我们解决这些令人激动的谜题。”

这个团队发现这些气体光环紧紧地连接着星系，提供完美的“食物来源”来满足恒星的快速形成和超大质量黑洞的成长需要。这些观察有效地解决了超大质量黑洞是如何存在于早期宇宙历史中的谜题。Farina总结道：“现在我们可以首次论证，

原生星系确实有足够的食物去维持超大质量黑洞的成长和恒星旺盛形成。当天文学家们正在努力描绘宇宙结构是如何在120亿年以前形成的时候，这项关于超大质量黑洞形成的研究成果为这一图景添加了一块重要的拼图。

以后，天文学家们将会有更加精密的仪器去研究早期宇宙中的星系和超大质量黑洞，也将会揭示更多关于古老气体星云的细节。这将会包括欧南台的超大望远镜，以及空基望远镜比如詹姆斯韦伯空间望远镜。

这项描述该团队发现的研究刊登于12月20日的《天体物理学杂志》上。

『天文时刻』 牧夫出品

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影像来源: NASA, SOFIA, Hubble