幼年即巨人 韦伯望远镜揭示超大质量黑洞的成长过程

幼年即巨人韦伯望远镜揭示超大质量黑洞的成长过程詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）在服役的第一年里，在我们夜空的一个极小区域里发现了一堆小红点，这可能是一个意想不到的突破。通过老式哈勃太空望远镜的"眼睛"，这些天体与普通星系无法区分。"JWST并不是为这一特定目的而开发的，但它帮助我们确定了在宇宙遥远的过去发现的微弱的小红点是质量极大的黑洞的小型版本。这些特殊的天体可能会改变我们对黑洞起源的看法，"该研究的第一作者、奥地利科学技术研究所（ISTA）助理教授乔瑞特-马特希（JorrytMatthee）说。"目前的发现可能会让我们离解答天文学中最大的难题之一更近一步：根据目前的模型，早期宇宙中的一些超大质量黑洞只是生长得'太快'了。那么它们是如何形成的呢？"巨型类星体和小红点。NASA/ESA/CSA詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）NIRCam拍摄的发光类星体J1148+5251的照片，这是一个极其罕见的100亿太阳质量的活跃超大质量黑洞。类星体的光是橙色的星状光源，有六个清晰的衍射尖峰，是在130亿年前发出的。年轻宇宙中存在如此巨大的黑洞，对黑洞和星系形成理论提出了重要挑战。与此同时，图像还捕捉到了小的点状红色物体，即所谓的小红点。几乎每一张JWST的深空图像中都会出现几个这样的天体。与类星体J1148+5251一样，这些天体发出的光（在这些情况下是125亿年前发出的）也是由超大质量黑洞驱动的。不过，这些黑洞的质量要低一百到一千倍，而且被尘埃严重遮挡（使其呈现红色）。这些小红点可能代表了处于类星体发光阶段之前的演化阶段的星系，因此有助于研究人员了解超大质量黑洞在遥远星系中的形成和作用。该图像是EIGER项目的一部分。资料来源：NASA、ESA、CSA、J.Matthee（ISTA）、R.Mackenzie（苏黎世联邦理工学院）、D.Kashino（日本国家天文台）、S.Lilly（苏黎世联邦理工学院）宇宙的不归点长期以来，科学家们一直认为黑洞是一种数学奇观，直到它们的存在变得越来越明显。这些奇特的宇宙无底洞可能具有如此紧凑的质量和强大的引力，以至于任何东西都无法逃脱它们的吸引力--它们吸进任何东西，包括宇宙尘埃、行星和恒星，并使其周围的空间和时间发生变形，以至于连光都无法逃脱。爱因斯坦一个多世纪前发表的广义相对论预言，黑洞可以有任何质量。其中一些最引人入胜的黑洞是超大质量黑洞（SMBHs），它们的质量可以达到太阳质量的数百万到数十亿倍。天体物理学家一致认为，几乎每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞。人马座A*是银河系中心的一个SMBH，其质量是太阳的400多万倍，这一证据获得了2020年诺贝尔物理学奖。质量太大，不可能存在然而，并非所有的SMBH都是一样的。人马座A*可以比作一座沉睡的火山，而有些SMBH则通过吞噬天文数字级的物质而极速增长。因此，它们变得非常明亮，直到不断膨胀的宇宙边缘都能观测到它们。这些SMBH被称为类星体，是宇宙中最亮的天体之一。"类星体的一个问题是它们中的一些似乎质量过大，从观测类星体的宇宙年龄来看质量太大。我们称它们为'问题类星体'，"Matthee说。"如果我们考虑到类星体起源于大质量恒星的爆炸--而且我们从一般物理定律中知道了它们的最大增长速度，那么其中一些类星体的增长速度看起来超过了可能的范围。这就好比一个五岁的孩子长到了两米高。"他解释说。SMBH的生长速度可能比我们最初想象的还要快吗？或者它们的形成方式不同？JorrytMatthee，奥地利科技研究所（ISTA）助理教授巨型宇宙怪兽的小型版本现在，Matthee和他的同事们确定了在JWST图像中以小红点形式出现的天体群。同时，他们还证明这些天体是SMBH，但不是质量过大的SMBH。确定这些天体是SMBH的关键在于探测到了具有宽线剖面的Hα光谱发射线。Hα线是可见光深红色区域的光谱线，是氢原子受热时发出的。光谱的宽度可追踪气体的运动。"Hα线的基底越宽，气体的速度就越高。因此，这些光谱告诉我们，我们看到的是一个非常小的气体云，它的运动速度非常快，并围绕着像SMBH这样质量非常大的东西运行，"Matthee说。然而，这些小红点并不是在超大质量SMBH中发现的巨大宇宙怪兽。"'问题类星体'是蓝色的，非常明亮，质量是太阳的数十亿倍，而小红点更像是'类星体宝宝'。它们的质量介于一千万到一亿个太阳质量之间。此外，它们呈现红色是因为它们布满了尘埃。灰尘遮住了黑洞，使颜色变红，"Matthee说。但最终，从黑洞中流出的气体将刺破尘茧，巨行星将从这些小红点中演化出来。因此，这位ISTA天体物理学家和他的团队认为，这些小红点是巨型蓝色SMBH的红色小版本，处于问题类星体出现之前的阶段。"更详细地研究超大质量SMBH的婴儿版，将让我们更好地了解问题类星体是如何存在的。"一项"突破性"技术Matthee和他的团队之所以能找到婴儿类星体，要归功于EIGER（再电离纪元中的发射线星系和星系间气体）和FRESCO（第一再电离纪元光谱完整观测）合作项目获得的数据集。这些都是Matthee参与的一个大型和一个中型JWST计划。去年12月，《物理世界》杂志将EIGER列为2023年年度十大突破之一。"EIGER旨在专门研究罕见的蓝色超大质量类星体及其环境。它并不是为了寻找小红点而设计的。但我们在同一个数据集中偶然发现了它们。这是因为，通过使用JWST的近红外相机，EIGER获取了宇宙中所有天体的发射光谱，"Matthee说。"如果你竖起食指并完全伸直手臂，我们探索的夜空区域大约相当于你指甲表面的二十分之一。到目前为止，我们可能只触及了表面。"Matthee相信，目前的研究将开辟许多途径，并有助于回答一些有关宇宙的重大问题。"黑洞和SMBH可能是宇宙中最有趣的东西。很难解释它们为什么存在，但它们确实存在。我们希望这项工作能帮助我们揭开宇宙最大的神秘面纱之一。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423721.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423721.htm

新发现更清晰地描绘了早期宇宙中星系的形成和成长过程

新发现更清晰地描绘了早期宇宙中星系的形成和成长过程最近发表在《英国皇家天文学会月刊》（MNRAS）上的一篇论文描述了这项研究，揭示了遥远星系内部温度变化的明显证据。这表明存在两个独特的热源--星系核心的巨大黑洞和周围旋转盘中新形成的恒星所产生的热量。论文第一作者、堪培拉澳大利亚国立大学（ANU）的TakafumiTsukui博士说："星系尘埃的温度会因所在区域的不同而有很大差异。但由于仪器分辨率有限，过去对遥远星系尘埃温度的测量大多是针对整个星系的。我们能够按区域测量温度，从而确定有多少热量来自单个来源。以前，这种测绘大多局限于附近的星系。"这项研究揭示了中央区域温暖尘埃与外围区域较冷尘埃之间的明显区别，前者的热量来自星系的超大质量黑洞，后者则可能是恒星形成所产生的热量。大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞，人们认为黑洞的质量会随着星系的增长而增长。当气体向黑洞吸积时，黑洞附近快速运动的粒子碰撞会使气体升温，有时会比星系本身的恒星体更亮。Tsukui博士说："来自黑洞的加热能量反映了被注入黑洞的气体数量，因此也反映了黑洞的增长速度，而来自恒星形成的加热能量则反映了星系中新形成的恒星数量，也就是星系的增长速度。这一发现让我们对早期宇宙中星系和中心大质量黑洞是如何形成和成长的有了更清晰的认识"。目前的研究之所以能够完成，要归功于欧洲南方天文台（ESO）在智利运行的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）望远镜。"这项研究展示了由欧洲南方天文台（ESO）操作的ALMA望远镜的详细绘图能力，"Astro3D主任艾玛-瑞安-韦伯（EmmaRyan-Weber）教授说。"ALMA是测量毫米波和亚毫米波辐射的最强大阵列。令人难以置信的是，ALMA可以观测一个有120亿年历史的星系，并将图像分成两部分--一部分是中央超大质量洞加热的尘埃，另一部分是底层宿主星系中的尘埃。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373897.htm

揭开神秘的面纱：超大质量黑洞是如何变得如此巨大的？

揭开神秘的面纱：超大质量黑洞是如何变得如此巨大的？研究人员结合X射线勘测和超级计算机模拟，追踪了120亿年的宇宙黑洞成长过程。他们的研究结果表明，黑洞的增长主要是由吸积驱动的，而兼并则起次要作用，尤其是在宇宙早期。这些发现有助于解释黑洞在宇宙年轻阶段的快速增长。超大质量黑洞是如何获得超大质量的？通过将最前沿的X射线观测与最先进的超级计算机模拟相结合，研究人员对星系中心发现的超大质量黑洞的成长过程进行了迄今为止最好的建模。利用这种混合方法，宾夕法尼亚州立大学天文学家领导的研究小组得出了黑洞在120亿年中生长的完整图景，从宇宙诞生之初的大约18亿年到现在的138亿年。这项研究包括两篇论文，一篇发表在2024年4月的《天体物理学杂志》上，另一篇尚未发表，将提交给同一杂志。研究成果将在6月9日至6月13日在威斯康星州麦迪逊市莫诺纳露台会议中心举行的美国天文学会第244届会议上公布。该成果在新闻发布会上进行了专题介绍，新闻发布会进行了现场直播，现在就可以观看：论文第一作者、宾夕法尼亚州立大学研究生邹凡（音译）说："星系中心的超大质量黑洞的质量是太阳质量的数百万到数十亿倍。它们是如何变成这样的怪物的？这是天文学家几十年来一直在研究的问题，但一直难以可靠地追踪黑洞生长的所有方式。"超大质量黑洞主要通过两种途径生长。它们消耗宿主星系中的冷气体--这个过程被称为吸积--当星系碰撞时，它们会与其他超大质量黑洞合并。"在吞噬宿主星系气体的过程中，黑洞会放射出强烈的X射线，这是追踪黑洞吸积增长的关键，"研究小组负责人、宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学埃伯利家族讲座教授兼物理学教授W.NielBrandt说。"我们利用有史以来发射到太空的三个最强大的X射线设施20多年来积累的X射线巡天数据测量了吸积驱动的增长。"研究小组使用了来自美国宇航局钱德拉X射线天文台、欧洲航天局的X射线多镜任务-牛顿（XMM-Newton）和马克斯-普朗克地外物理研究所的eROSITA望远镜的补充数据。总共测量了包含8000多个快速增长黑洞的130万个星系样本中的吸积驱动增长。研究人员将迄今为止发射到太空的最强大X射线设施的X射线观测结果与超级计算机模拟的星系在宇宙历史中的堆积过程相结合，为星系中心发现的超大质量黑洞的生长提供了迄今为止最好的模型。左侧是结合X射线（蓝色）和光学（红、绿、蓝）观测结果的图像，右侧是利用IllustrisTNG进行宇宙学模拟后得到的模拟气体柱密度。观测到的X射线辐射主要来自吸积超大质量黑洞，如插图所示。图中短边的长度与天空中满月的表面大小相同。资料来源：F.Zou(PennState)etal：观测：XMM-SERVS协作组；模拟：TNG协作组；插图：XMM-SERVS协作组：插图：NahksTrEhnl（宾夕法尼亚州立大学）Zou说："我们样本中的所有星系和黑洞在多个波长上都有非常好的特征，在红外、光学、紫外和X射线波段都有极好的测量。数据显示，在所有宇宙纪元，质量更大的星系通过吸积黑洞的速度更快。凭借高质量的数据，我们能够比过去的研究更好地量化这一重要现象。"超大质量黑洞增长的第二种方式是通过合并，即两个超大质量黑洞碰撞并合并在一起，形成一个质量更大的黑洞。为了追踪合并后的增长，研究小组使用了IllustrisTNG，这是一套超级计算机模拟，模拟了从宇宙大爆炸后不久到现在的星系形成、演化和合并过程。Brandt说："在我们的混合方法中，我们将观测到的吸积增长与模拟的合并增长结合起来，重现了超大质量黑洞的增长历史。我们相信，通过这种新方法，我们已经绘制出了迄今为止最真实的超大质量黑洞成长图景。"研究人员发现，在大多数情况下，吸积主导了黑洞的增长。合并起了显著的辅助作用，尤其是在过去50亿年的宇宙时间里，对于最大规模的黑洞而言。总的来说，在宇宙年轻的时候，所有质量的超大质量黑洞的增长速度都要快得多。正因为如此，到70亿年前，超大质量黑洞的总数几乎已经定型，而在宇宙早期，许多新的黑洞还在不断涌现。"通过我们的方法，我们可以追踪局域宇宙中的中心黑洞最有可能是如何随着宇宙时间的推移而增长的，"Zou说。"举例来说，我们考虑了银河系中心超大质量黑洞的成长过程，它的质量为400万太阳质量。我们的研究结果表明，我们银河系的黑洞很可能是在宇宙时间相对较晚的时候才成长起来的。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435743.htm

碰撞的黑洞可能揭示了宇宙膨胀速度的秘密

碰撞的黑洞可能揭示了宇宙膨胀速度的秘密据BGR报道，宇宙一直在膨胀。科学家们几十年来一直相信这一点。然而，对科学家们来说，确定宇宙的膨胀速度一直是困难的。现在研究人员可能终于找到了一种方法来确定宇宙的膨胀速度以及它是如何演变的。当两个黑洞碰撞时，它们在时空中产生涟漪，科学家称之为引力波。现在，科学家们已经开发出一种新技术，可以用来测量这些信号的变化。科学家们相信，这可以帮助更好地了解宇宙的膨胀速度。科学家们在20世纪90年代末首次确定，宇宙正在以加速的速度膨胀。我们把这称为哈勃常数。而且，每当科学家们试图根据哈勃常数来计算宇宙的膨胀速度时，他们最终会得到多个数值。因此，许多人一直在寻找一种更精确的方法来测量宇宙膨胀速度。科学家们希望能更好地测量宇宙膨胀速度的一种方法是通过测量紧密的双黑洞之间的宇宙碰撞。据Space.com报道，他们把这些配对称为“光谱警报器”，它们最终可以给我们提供一种更稳定的方法来测量宇宙膨胀的速度。除了告诉我们宇宙是如何膨胀的，了解加速膨胀的速度还可以告诉我们更多关于早期宇宙的情况。詹姆斯·韦伯望远镜最近发现了已知的最早的星系，但是我们对这些星系最初是如何形成的仍然不甚了解。甚至是宇宙是如何从大爆炸中扩张的。人们希望通过测量黑洞碰撞产生的时空涟漪，为科学家们提供更多的数据来观察。而且，由于像詹姆斯·韦伯望远镜这样的设备已经变得如此复杂，我们可能有一天能够确定宇宙的膨胀速度，是什么在助长这种膨胀，甚至何时，如果有的话，它将放缓。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306615.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1306615.htm

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体早期宇宙中似乎不可能存在超大质量黑洞，这已经是个问题了；詹姆斯-韦伯太空望远镜发现了更早的超大质量黑洞星系，这只会让问题变得更糟。在最新的例子中，研究人员利用韦伯望远镜描述了一个由超大质量黑洞驱动的类星体，它存在于宇宙大爆炸后大约7.5亿年。它看起来正常得令人震惊。类星体是宇宙中最亮的天体，由主动进食的超大质量黑洞提供能量。它们周围的星系为它们提供了足够的物质，使它们形成了明亮的吸积盘和强大的喷流，两者都会释放出大量的辐射。它们通常有一部分被尘埃笼罩，尘埃吸收了黑洞释放的部分能量后会发光。这些类星体发出的辐射量非常大，最终会把附近的一些物质完全赶出星系。因此，早期宇宙中存在的这些特征将告诉我们，超大质量黑洞不仅存在于早期宇宙中，而且还与星系融为一体，就像近代的星系一样。但是要研究它们却非常困难。首先，我们发现的超大质量黑洞并不多；只有九颗类星体可以追溯到8亿年前的宇宙。由于距离太远，很难分辨出它们的特征，而且宇宙膨胀引起的红移将许多元素的强烈紫外线辐射带到了红外线深处。然而，韦伯望远镜是专门为探测早期宇宙中的天体而设计的，它对这种辐射出现的红外线波长非常敏感。因此，新的研究是基于将韦伯望远镜对准九个早期类星体中第一个被发现的类星体--J1120+0641。它看起来并没有什么与众不同，或者至少很像宇宙历史上最近时期的类星体。研究人员对类星体产生的连续辐射进行了分析，发现有明显迹象表明，类星体被嵌入了一个炙热的、布满尘埃的物质甜甜圈中，就像在后来的类星体中看到的那样。这种尘埃的温度略高于一些较新的类星体，但这似乎是这些天体在宇宙历史早期阶段的共同特征。来自吸积盘的辐射在发射光谱中也很明显。通过各种方法估算出的黑洞质量值是太阳质量的109倍，这显然是超大质量黑洞的范畴。还有证据表明，从某些辐射的轻微蓝移来看，类星体正在以大约每秒350公里的速度向外喷射物质。有几个奇怪的现象。一是物质似乎还在以每秒约300公里的速度向内坠落。这可能是由于吸积盘中的物质远离我们而旋转造成的。但如果是这样的话，在吸积盘的另一侧向我们旋转的物质也应该与之相匹配。这种现象在非常早期的类星体中也曾出现过几次，但研究人员承认这种效应的物理起源尚不清楚。他们提出的一种解释是，整个类星体都在移动，由于早先与另一个超大质量黑洞合并，类星体被震出了星系中心的位置。另一个奇怪的现象是，高度电离碳的外流速度也非常快，大约是类星体后期外流速度的两倍。这种情况以前也出现过，但也没有任何解释。尽管有些奇怪，但这个天体看起来很像近代的类星体，观测结果表明，尘埃环和（吸积盘）的复杂结构可以在宇宙大爆炸后不到760Myr的时间内在（超大质量黑洞）周围建立起来。同样，这也是个问题，因为它表明在宇宙历史的早期，就有一个超大质量黑洞与其宿主星系融为一体。黑洞要想达到这里所看到的大小，就必须突破所谓的"爱丁顿极限"--在产生的辐射驱赶掉邻近的物质、掐断黑洞的食物供应之前，黑洞所能吸入的物质数量。这说明有两种可能。一种是这些天体在其历史的大部分时间里摄取的物质远远超过了爱丁顿极限--这是我们没有观测到的，而且这颗类星体也绝对不是这样。另一种可能是，它们一开始的质量就很大（大约是太阳质量的104倍），并以更合理的速度不断进食。但我们并不清楚这么大的东西是如何形成的。因此，早期宇宙仍然是一个相当令人困惑的地方。DOI:10.1038/s41550-024-02273-0...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435229.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435229.htm

新证据表明黑洞推动了宇宙的膨胀

新证据表明黑洞推动了宇宙的膨胀自20世纪20年代末以来，天文学家就知道宇宙正在膨胀，几十年来，人们认为这种膨胀的速度会随着时间的推移而减慢。毕竟，引力将事物拉得更近，而宇宙中所有物质的引力被认为是在拖累一切。但是在20世纪90年代，使用哈勃太空望远镜的天文学家们有了一个意外的发现--完全相反的情况正在发生。一个物体离我们的制高点越远，它似乎离我们越快，这表明宇宙的膨胀正在随着时间的推移而加速。在当时的模型中没有任何解释，一种被称为"暗能量"的力量被提出来，它以越来越快的速度将一切事物从其他事物中推开。从那时起，天文学家一直在寻找这种暗能量的迹象，根据它似乎具有的特性。而在一项新的研究中，一个国际科学家小组声称已经发现了暗能量可能藏身的地方--黑洞内部的证据。与我们可能认为的相反，真空并不是完全空的-随机的量子波动产生了所谓的真空能，它施加了一种向外的压力，可以对抗引力并驱动宇宙的膨胀。在一些模型中，可以在黑洞中发现真空能，而在新的研究中，研究小组首次发现了这方面的观测证据。天文学家们首先研究了过去90亿年来星系中心的超大质量黑洞的演变。这些黑洞主要通过吞噬尘埃、气体、恒星和其他黑洞来获得质量，但在一些星系，即所谓的巨椭圆星系中，这种原料会枯竭。那么应该可以预期，椭圆星系中的超大质量黑洞会停止增长。研究人员将遥远的椭圆星系中这些黑洞的质量（人们看到的是数十亿年前的样子）与那些在空间和时间上更接近我们的黑洞进行了比较。果然，现代椭圆星系中的超大质量黑洞比90亿年前的质量要大7到20倍。这表明，超大质量黑洞也可以通过其他机制获得质量。而如果它们含有真空能量，它们将既促进宇宙的膨胀，又从这个过程中获得质量，这种现象被称为宇宙学耦合。研究小组说，这是黑洞含有真空能量的第一个观测证据，当他们计算数字时，他们发现这可以解释今天在宇宙中测量的暗能量的数量。虽然不乏其他暗能量来源的建议，但该团队表示，这个新模型可能是最简洁的。这是因为它不需要在我们现有的模型中加入任何新的元素--正如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，这个缺口可以由黑洞来填补。新模型还解释了另一个宇宙学难题。在目前的模型中，黑洞被认为是将落入其中的一切压缩成一个无限密集的奇点，一个物理定律崩溃的点。它们在数学上应该是不可能的，所以物理学家要么为它们找到变通办法，要么认为它们意味着我们的模型是不完整的。但是如果黑洞含有真空能量，奇点就不再需要存在，这可能是我们理解上的一个重大突破，也是新模型的进一步证据。尽管这项研究耐人寻味，但还需要进一步的研究和观测来证实这个模型。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345337.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345337.htm