早期宇宙中的黑洞似乎以超過理論極限40倍的速度消耗物質 _宇宙

這位藝術家的插圖顯示了一個紅色的早期宇宙矮星系，其中心有一個快速進食的黑洞。利用美國國家航空航天局JWST和錢德拉X射線天文臺的數據，美國國家科學基金會NOIRLab天文學家團隊在大爆炸后僅15億年的星系中心發(fā)現了這個低質量黑洞。它正以驚人的速度吸積物質，超過理論極限的40倍。雖然生命短暫，但這個黑洞的“盛宴”可以幫助天文學家解釋超大質量黑洞在早期宇宙中是如何快速增長的。圖片來源：NOIRLab/NSF/AURA/J.da Silva/M.Zamani
據天文學研究大學協(xié)會：超大質量黑洞存在于大多數星系的中心，現代望遠鏡在宇宙演化的早期就繼續(xù)觀測到它們。
很難理解這些黑洞是如何如此迅速地長大的。但是，隨著大爆炸后僅15億年就發(fā)現了一個以極端速度吞噬物質的低質量超大質量黑洞，天文學家現在對早期宇宙中快速增長的黑洞的機制有了寶貴的新見解。
LID-568是由國際雙子座天文臺/NSF NOIRLab天文學家Hyewon Suh領導的跨機構天文學家團隊發(fā)現的。他們使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）觀測了錢德拉X射線天文臺COSMOS遺留調查中的星系樣本。
這個星系群在光譜的X射線部分非常明亮，但在光學和近紅外波段是不可見的。JWST獨特的紅外靈敏度使其能夠檢測到這些微弱的對應物發(fā)射。
LID-568因其強烈的X射線發(fā)射而在樣本中脫穎而出，但僅憑X射線觀測無法確定其確切位置，這引發(fā)了人們對JWST視野中目標正確居中的擔憂。
因此，JWST的儀器支持科學家建議Suh的團隊在JWST的NIRSpec上使用積分場光譜儀，而不是使用傳統(tǒng)的狹縫光譜學。該儀器可以獲得儀器視場中每個像素的光譜，而不是局限于窄切片。
“由于其微弱的性質，如果沒有JWST ， LID-568的探測是不可能的。使用積分場光譜儀是創(chuàng)新的，對于我們的觀測是必要的，”國際雙子座天文臺/NSF NOIRLab天文學家Emanuele Farina說，他也是發(fā)表在《自然天文學》雜志上的論文“用JWST觀測到的大爆炸后約1.5 Gyr的超級愛丁頓吸積黑洞”的合著者。
JWST的NIRSpec使研究小組能夠全面了解他們的目標及其周圍區(qū)域，從而意外地發(fā)現了中心黑洞周圍強大的氣體外流。這些外流的速度和規(guī)模使研究小組推斷，LID-568的大部分質量增長可能發(fā)生在一次快速吸積中。
“這一偶然的結果為我們對該系統(tǒng)的理解增添了新的維度，并為調查開辟了令人興奮的途徑，”徐說。
在一個驚人的發(fā)現中， Suh和她的團隊發(fā)現LID-568似乎以愛丁頓極限的40倍的速度進食。這個極限與黑洞可以達到的最大光度以及它吸收物質的速度有關，這樣它的向內引力和由壓縮的、下落的物質的熱量產生的向外壓力才能保持平衡。
當LID-568的光度被計算出比理論上可能的要高得多時，研究小組知道他們的數據中有一些值得注意的東西。
“這個黑洞正在享受一場盛宴，”國際雙子座天文臺/NSF NOIRLab天文學家、合著者Julia Scharwächter說。
“這一極端案例表明，愛丁頓極限以上的快速饋送機制是我們在宇宙早期看到這些非常重的黑洞的可能解釋之一。”

這位藝術家的插圖顯示了一個快速進食的黑洞，它正在釋放強大的氣體外流。利用美國國家航空航天局JWST和錢德拉X射線天文臺的數據，美國國家科學基金會NOIRLab天文學家團隊在大爆炸后僅15億年的星系中心發(fā)現了這個低質量黑洞。它正以驚人的速度吸積物質，超過理論極限的40倍。雖然生命短暫，但這個黑洞的“盛宴”可以幫助天文學家解釋超大質量黑洞在早期宇宙中是如何快速增長的。圖片來源：NOIRLab/NSF/AURA/J.da Silva/M.Zamani
這些結果為從較小的黑洞“種子”形成超大質量黑洞提供了新的見解，目前的理論認為，超大質量黑洞的形成要么源于宇宙第一顆恒星的死亡（輕種子），要么源于氣體云的直接坍縮（重種子）。到目前為止，這些理論還缺乏觀測證實。
蘇說：“超級愛丁頓吸積黑洞的發(fā)現表明，無論黑洞是來自輕種子還是重種子，質量增長的很大一部分都可以在一次快速進食中發(fā)生。” 。
LID-568的發(fā)現也表明，黑洞有可能超過其愛丁頓極限，并為天文學家研究這是如何發(fā)生的提供了第一次機會。
在LID-568中觀察到的強大外流可能是極端吸積產生的多余能量的釋放閥，防止系統(tǒng)變得過于不穩(wěn)定。為了進一步研究起作用的機制，該團隊正在計劃與JWST進行后續(xù)觀察。