詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現早期宇宙中生長的“極紅”超大質量黑洞 _太空

一幅插圖顯示了早期宇宙中一個極端的紅色超大質量黑洞。（圖片來源:Robert Lea（與Canva共同創作））
據美國太空網（羅伯特·李）：利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），天文學家發現了一個“極度紅色”的超大質量黑洞，它生長在陰暗的早期宇宙中。
大爆炸后大約7億年的超大質量黑洞的紅色色調是宇宙膨脹的結果。隨著宇宙向四面八方膨脹，向我們傳播的光發生了“紅移” ，在這種情況下，紅移的光表明黑洞周圍覆蓋著厚厚的氣體和塵埃。
由內蓋夫本古里安大學的盧卡斯·富爾塔克和阿迪·齊特林領導的天文團隊在檢查JWST數據時，也能夠確定超大質量黑洞的質量。它的質量約為太陽的4000萬倍，與它所在的星系相比，質量大得出人意料。
研究小組還發現，距離地球約129億光年的超大質量黑洞正在迅速吞噬周圍的氣體和塵埃。換句話說，它在增長。
“當JWST開始發送第一批數據時，我們非常興奮。富爾塔克在一份聲明中說:“我們正在掃描‘發現計劃’收到的數據，三個非常緊湊卻綻放著紅色光芒的物體引人注目。“它們的‘紅點’外觀立即使我們懷疑它是一個類星體。“
“三個紅點”
類星體是在大量物質圍繞像這樣的超大質量黑洞時產生的。這種物質形成了一個由氣體和塵埃組成的圓盤，稱為吸積盤，逐漸為黑洞提供營養。黑洞巨大的引力影響攪動著這種物質，產生極高的溫度并使其發光。
此外，沒有落入超大質量黑洞的物質被引導到宇宙泰坦的兩極。這些區域中的粒子被加速到接近光速，成為高度準直的噴流。當這些相對論性噴流噴出時，爆發伴隨著明亮的電磁輻射。
由于這些現象，由活動星系核（AGN）中的超大質量黑洞驅動的類星體通常非常明亮，以至于它們發出的光經常比周圍星系中每顆恒星發出的光總和還要亮。
從這個特殊的超大質量黑洞周圍發出的大量輻射使它在JWST數據中呈現出一個小點狀外觀。
“對該天體顏色的分析表明，它不是一個典型的恒星形成星系。“這進一步支持了超大質量黑洞假說，”匹茲堡大學的雷切爾·貝贊森在聲明中說。“結合其緊湊的尺寸，很明顯這可能是一個超大質量黑洞，盡管它仍然不同于早期發現的其他類星體。”
如果沒有阿爾伯特·愛因斯坦在1915年預測的一種效應的幫助，早期的類星體甚至對JWST強大的紅外眼都是不可見的。
愛因斯坦的透鏡
愛因斯坦的廣義相對論表明，大質量物體扭曲了時空結構，時空真正統一為一個稱為“時空”的實體。該理論繼續認為重力是彎曲的結果。一個物體的質量越大，時空的曲率就越“極端” 。
因此，這種曲率不僅告訴行星如何圍繞恒星和恒星運動，以及如何圍繞其所在星系的中心運動，而且還改變了來自這些恒星的光的路徑。
光傳播的距離物體越近，其路徑就越“彎曲” 。因此，來自單個背景物體的不同光路會被前景或“透鏡物體”彎曲，并改變背景物體位置的外觀。有時，這種效果甚至會導致背景物體出現在同一幅天空圖像的多個地方。其他時候，來自背景物體的光被簡單地放大，而那個物體也被放大。
這種現象被稱為“引力透鏡”

一張圖顯示了來自背景物體的光如何被前景物體彎曲。（圖片來源:美國國家航空航天局、歐空局和l .卡爾阿達）
在這種情況下，JWST使用了一個名為Abell 2744的星系團作為前景透鏡體來放大來自背景星系的光，否則這些星系太遠而無法看到。這揭示了他們瞄準的極度紅色類星體，最初是三個紅點的形式。
“我們使用為星系團構建的數字透鏡模型來確定三個紅點必須是同一背景源的多個圖像，在宇宙只有7億歲時看到的，”齊特林說。

藝術家對超大質量黑洞及其強大噴流的印象。天文學家想知道這些物體在早期宇宙中是如何達到巨大質量的。（圖片來源:NRAO/AUI/國家科學基金會）
對背景光源的進一步分析顯示，它的光一定來自一個致密區域。
“那個星系的所有光線都必須在一個今天星團大小的微小區域內。研究小組成員、普林斯頓大學研究員珍妮·格林在聲明中說:“光源的引力透鏡放大倍數為我們提供了精確的尺寸限制。”“即使將所有可能的恒星都裝進這么小的區域，黑洞最終也至少占系統總質量的1% 。”
這一發現進一步揭開了超大質量黑洞的神秘面紗，這些黑洞的質量可能是太陽的數百萬倍（甚至數十億倍），它們是如何在宇宙嬰兒期發展到如此巨大的規模的。
格林說:“早期宇宙中的其他幾個超大質量黑洞現在也被發現表現出類似的行為，這導致人們對黑洞和宿主星系的增長以及它們之間的相互作用產生了一些有趣的看法，這種看法還沒有得到很好的理解。”
隨著時間的推移，JWST探測到了大量的“小紅點” 。這些也可能表明在早期宇宙中為超大質量黑洞提供能量的類星體提供能量，這可能意味著一個驚人的黑洞增長難題可能很快得到解決。
“在某種程度上，這相當于天體物理學中的雞和蛋問題，”齊特林總結道。“我們目前不知道哪個先出現——星系還是黑洞，第一批黑洞有多大，以及它們是如何增長的。”
該團隊的研究于2月14日發表在《自然》雜志上。