天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系

天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系最近发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究表明，黑洞的质量接近太阳质量的十亿倍，而宿主星系的质量几乎是太阳质量的一百倍，这一比例与近代宇宙中发现的情况相似。斯巴鲁望远镜和JWST的强大组合为研究遥远的宇宙铺平了一条新的道路。遥远宇宙中存在如此巨大的黑洞，给天体物理学家带来了更多的问题，而不是答案。宇宙如此年轻，这些黑洞怎么可能长得如此巨大？更令人费解的是，对本地宇宙的观测表明，超大质量黑洞的质量与它们所在的更大的星系之间存在着明显的关系。星系和黑洞的大小完全不同，那么是黑洞先出现还是星系先出现呢？这是一个宇宙尺度上的"先有鸡还是先有蛋"的问题。JWSTNIRCam3.6μm拍摄的HSCJ2236+0032图像。放大图像、类星体图像以及减去类星体光线后的宿主星系图像（从左到右）。每幅图像中都标明了以光年为单位的图像比例。图片来源：Ding,Onoue,Silverman,etal.由卡夫利宇宙物理与数学研究所（KavliIPMU）项目研究员丁旭恒和约翰-西尔弗曼教授，以及北京大学卡夫利天文与天体物理研究所（PKU-KIAA）卡夫利天体物理学研究员小野上正夫萨领导的国际研究团队，已经开始利用2021年12月发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）来回答这个问题。研究宇宙早期宿主星系和黑洞之间的关系可以让科学家观察它们的形成过程，了解它们之间的关系。类星体很亮，而它们的宿主星系却很暗，这使得研究人员很难在类星体的强光下探测到星系的暗光，尤其是在很远的距离上。在JWST出现之前，哈勃太空望远镜能够探测到明亮类星体的宿主星系，当时宇宙的年龄还不到30亿年，但已经不再年轻了。美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜将其主镜完全展开，形成在太空中时的构型。图片来源：NASA/ChrisGunnJWST在红外波段的超高灵敏度和超清晰图像终于让研究人员能够将这些研究推向类星体和星系最初形成的时间。就在JWST开始正常运行几个月后，研究小组观测到了两颗类星体，分别是HSCJ2236+0032和HSCJ2255+0251，红移分别为6.40和6.34，当时宇宙的年龄大约为8.6亿年。这两颗类星体是在夏威夷毛纳凯亚山顶的8.2米苏巴鲁望远镜的深度巡天计划中发现的。这两颗类星体的光度相对较低，是测量宿主星系特性的主要目标，宿主星系的成功探测代表了迄今为止在类星体中探测到星光的最早时间。卡弗利IPMU项目研究员丁旭恒、约翰-西尔弗曼（JohnSilverman）教授和卡弗利天文学和天体物理学研究所（PKU-KIAA）卡弗利天体物理学研究员MasafusaOnoue（左起）。图片来源：卡弗里国际天文物理研究所、卡弗里国际天文物理研究所、MasafusaOnoue这两颗类星体的图像是用JWST的NIRCam仪器以3.56和1.50微米的红外波长拍摄的，在仔细建模并减去来自吸积黑洞的眩光后，宿主星系变得清晰可见。在JWST的近红外光谱仪为J2236+0032拍摄的光谱中也可以看到宿主星系的恒星特征，这进一步支持了宿主星系的探测。对宿主星系光度的分析发现，这两个类星体宿主星系的质量很大，分别是太阳质量的1300亿倍和340亿倍。通过近红外光谱仪光谱对类星体附近湍流气体速度的测量表明，为类星体提供能量的黑洞质量也很大，分别是太阳质量的14亿倍和2亿倍。黑洞质量与宿主星系质量之比类似于近期星系的质量，这表明黑洞与其宿主星系之间的关系在宇宙大爆炸后8.6亿年就已经存在了。丁、西尔弗曼、奥努埃和他们的同事将利用计划中的第一周期JWST观测，用更大的样本继续这项研究，这将进一步制约黑洞及其宿主星系共同演化的模型。研究小组最近得知，他们已经获得了JWST在下一个周期的额外时间来研究黑洞及其宿主星系。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381743.htm

MIT天文学家从早期类星体中捕捉到难以捉摸的星光

MIT天文学家从早期类星体中捕捉到难以捉摸的星光类星体是活动星系炽热明亮的中心，其核心是一个贪得无厌的超大质量黑洞。大多数星系都有一个中心黑洞，它可能会不时地捕食气体和恒星碎片，当物质向黑洞涌入时，就会以发光环的形式产生短暂的爆发光。相比之下，类星体的运行规模则不同。它们可以在更长的时间内消耗大量物质，产生极其明亮和持久的光环--事实上，类星体是宇宙中最亮的天体之一。由于类星体非常明亮，所以它们的光芒要比所在星系的其他部分更加耀眼。但是，麻省理工学院的研究小组首次观测到了三颗古老类星体的宿主星系中恒星发出的微弱得多的光。根据这种难以捉摸的恒星光，研究人员估算出了每个宿主星系的质量与其中心超大质量黑洞的质量。他们发现，与现代类星体相比，这些类星体的中央黑洞相对于其宿主星系的质量要大得多。詹姆斯-韦伯望远镜拍摄的照片显示了红色圈内的J0148类星体。两个插页上显示的是中心黑洞，下显示的是宿主星系的恒星辐射。图片来源：研究人员提供；美国宇航局最近发表在《天体物理学杂志》上的这一发现，可能会揭示出最早的超大质量黑洞是如何在相对较短的宇宙时间内成长为如此巨大的黑洞的。特别是，与现代黑洞相比，那些最早的怪物黑洞可能是从质量更大的"种子"中萌发出来的。"宇宙诞生后，出现了一些种子黑洞，然后吞噬物质，在很短的时间内成长起来，"研究报告的作者、麻省理工学院卡弗里天体物理学和空间研究所博士后岳明浩说。"其中一个最大的问题就是要了解这些怪物黑洞是如何长得如此之大、如此之快的。""这些黑洞的质量是太阳的数十亿倍，而此时宇宙还处于萌芽阶段，"研究报告的作者、麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜-艾勒斯说。"我们的研究结果意味着，在宇宙早期，超大质量黑洞可能比它们的宿主星系更早获得质量，最初的黑洞种子可能比今天的质量更大。"Eilers和Yue的合著者包括麻省理工学院卡弗里主任罗伯特-西姆科（RobertSimcoe）、麻省理工学院哈勃研究员和博士后罗汉-奈杜（RohanNaidu），以及瑞士、奥地利、日本和北卡罗来纳州立大学的合作者。自20世纪60年代天文学家首次发现类星体以来，类星体的极高亮度就显而易见了。当时他们假设类星体的光来自一个类似恒星的"点光源"。科学家将这些天体命名为"类星体"，是"准恒星"的谐音。自首次观测以来，科学家们已经意识到类星体实际上并非源自恒星，而是由位于星系中心的强大而持久的超大质量黑洞吸积产生的。要把类星体中央黑洞发出的光与宿主星系恒星发出的光分离开来，是一项极具挑战性的工作。这项任务有点像分辨中央巨大探照灯周围的一大片萤火虫。但近年来，随着美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的发射，天文学家们有了更好的机会来完成这项任务。JWST能够窥探到更久远的时间，其灵敏度和分辨率也比现有的任何天文台都要高得多。在他们的新研究中，Yue和Eilers利用JWST的专用时间观测了六颗已知的古老类星体，从2022年秋天到第二年春天间歇性地进行观测。研究小组总共对这六个遥远的天体进行了120多个小时的观测。"类星体的亮度要比它的宿主星系高出几个数量级。而以前的图像不够清晰，无法分辨宿主星系及其所有恒星的样子，"Yue说。"现在，通过非常仔细地模拟JWST对这些类星体的更清晰的图像，我们第一次能够揭示这些恒星发出的光。"研究小组评估了JWST收集的六颗遥远类星体的成像数据，他们估计这六颗类星体的年龄约为130亿年。这些数据包括每个类星体不同波长光线的测量值。研究人员将这些数据输入到一个模型中，该模型可以计算出这些光中有多少可能来自一个紧凑的"点光源"，比如中央黑洞的吸积盘，而有多少可能来自一个更加弥散的光源，比如来自宿主星系周围散射恒星的光。通过这种建模，研究小组将每颗类星体的光分成两部分：来自中央黑洞发光盘的光和来自宿主星系较分散恒星的光。这两种光源的光量反映了它们的总质量。研究人员估计，对于这些类星体来说，中心黑洞的质量与宿主星系的质量之比约为1:10。他们意识到，这与今天1:1,000的质量平衡形成了鲜明对比，在这种情况下，新近形成的黑洞与其宿主星系相比质量要小得多。"这告诉了我们一些关于什么最先生长的信息：是黑洞先生长，然后星系跟上？还是星系及其恒星首先生长，它们主导并调节黑洞的生长？"埃勒斯解释道。"我们看到，早期宇宙中的黑洞似乎比其宿主星系生长得更快。这初步证明，最初的黑洞种子当时可能质量更大。"Yue补充说："在最初的10亿年里，一定有某种机制使黑洞比宿主星系更早获得质量。这是我们看到的第一个证据，令人兴奋"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434759.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434759.htm

当星系相撞：双子类星体在"宇宙正午"闪亮登场

当星系相撞：双子类星体在"宇宙正午"闪亮登场这个艺术家的印象图表明，天文学家使用一系列地面和天基望远镜，包括夏威夷的双子座北区，发现了一对紧密结合的高能类星体--一对合并星系的标志--在宇宙只有30亿年的时候就看到了。这一发现揭示了星系在"宇宙正午"的演化过程，这是宇宙历史上星系经历狂暴的星体形成的时期。这次合并也代表了一个即将成为巨大椭圆星系的系统。资料来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/M.Zamani,J.daSilva尽管天文学家已经在我们的宇宙邻域观察到了名副其实的带有一个以上类星体的合并星系，但更遥远的例子，即在宇宙只有其目前年龄的四分之一时看到的，是相当罕见的，因此极难找到。通过利用大量的地面和天基观测站--包括由美国国家科学基金会NOIRLab运作的国际双子星观测站的一半--一个天文学家小组发现了一对紧密结合的活跃进食的超大质量黑洞--类星体。这一发现是首次确认在"宇宙正午"--宇宙只有30亿年历史的时候，在同一星系中发现一对超大质量黑洞。以前的观测发现，类似的系统处于合并的早期阶段，当时两个星系仍然可以被认为是明显的独立实体。但是这些新的结果显示，一对类星体在如此近的距离内炽热地燃烧着，相距仅有1万光年，它们最初的宿主星系很可能正在成为一个单一的巨大椭圆星系的路上。在这个早期时代，寻找一对如此接近的超大质量黑洞，就像试图在干草堆中找针。挑战在于，大多数黑洞对都太近了，无法单独区分。为了明确地探测到这样一个系统，这两个超大质量黑洞需要同时积极地增殖并作为类星体发光，这种情况是极其罕见的。据统计，每100个超大质量黑洞中，只有一个在特定时间内积极地吸积。然而，天文学家知道，在遥远的宇宙中，应该充满了嵌在合并星系中的一对超大质量黑洞。在美国宇航局/欧空局哈勃太空望远镜的数据中首次发现了这样一个系统的暗示，它在遥远的宇宙中发现了两个紧密排列的光点。为了验证这个系统的真实性质，研究小组通过欧空局盖亚观测站的庞大数据库进行搜索，发现这个系统有明显的"抖动"，这可能是黑洞进食活动零星变化的结果。研究小组随后使用了双子座多目标光谱仪（GMOS）和双子座北区的GNIRS，这为研究小组提供了对类星体距离的独立测量，并证实这两个物体都是类星体，而不是单个类星体与前景星体的偶然对接。利用W.M.Keck天文台、NSF的KarlG.Jansky超大型阵列和NASA的ChandraX射线天文台进行的进一步研究也有助于确认这些观察结果。"确认过程并不容易，我们需要一个涵盖从X射线到射电频谱的望远镜阵列来最终确认这个系统确实是一对类星体，而不是，比如，两个引力凝聚类星体的图像，"共同作者、伊利诺伊大学的天文学家YueShen说。"在这个早期，我们并没有看到很多双类星体。这就是为什么这一发现如此令人兴奋。"伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生Yu-ChingChen说，他是这项研究的主要作者，该研究发表在《自然》杂志上，"了解黑洞的原生群体将最终告诉我们早期宇宙中超大质量黑洞的出现，以及这些合并可能有多频繁。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356071.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356071.htm

天文学家解决困扰人们60年的类星体之谜

天文学家解决困扰人们60年的类星体之谜科学家们已经揭开了类星体--宇宙中最明亮、最强大的天体--的最大谜团之一，发现它们是由星系碰撞引发的：类星体在60年前首次被发现，其亮度相当于一万亿颗恒星挤在太阳系大小的空间里，但直到现在，什么能引发如此强大的活动仍然是个谜。通过观察48个拥有类星体的星系，并将它们与100多个非类星体的星系进行比较，科学家们发现，这种现象是由星系碰撞引发的。当两个星系相撞时，引力将大量的气体推向碰撞产生的残余星系系统中心的超大质量黑洞--就在气体被黑洞吞噬之前，它以辐射的形式释放出巨大的能量，从而产生了类星体。银河系在大约50亿年后与仙女座星系相撞时，可能会经历自己的类星体。当研究人员使用拉帕尔马的艾萨克-牛顿望远镜进行深度成像观测时，发现了这些碰撞，在星系的外部区域存在着扭曲的结构，这些结构是类星体的家园。大多数星系在其中心都有超大质量黑洞。它们也包含大量的气体--但大多数时候，这些气体在距离星系中心很远的地方运行，不在黑洞的范围内。星系之间的碰撞将气体推向星系中心的黑洞；就在气体被黑洞吞噬之前，它以辐射的形式释放出巨大的能量，从而产生了类星体特有的光辉。类星体的点燃会对整个星系产生巨大的影响--它可以将其余的气体赶出星系，这使得星系在未来的几十亿年里都无法形成新的恒星。这是第一次以如此高的灵敏度对这种规模的类星体样本进行成像。通过比较对48个类星体及其宿主星系的观测和100多个非类星体星系的图像，研究人员得出结论，宿主类星体的星系与其他星系相互作用或碰撞的可能性大约是三倍。这项研究为我们了解这些强大的天体是如何被触发和推动的提供了一个重要的步骤。谢菲尔德大学物理和天文学系的CliveTadhunter教授说："类星体是宇宙中最极端的现象之一，我们所看到的可能代表了我们自己的银河系在大约50亿年后与仙女座星系碰撞时的未来。观察这些事件并最终了解它们发生的原因是令人兴奋的--但值得庆幸的是，在相当长的一段时间内，地球不会接近这些世界末日事件之一。"类星体对天体物理学家来说很重要，因为由于它们的亮度，它们在很远的距离上就很突出，因此作为宇宙历史上最早的时代的灯塔。赫特福德大学的博士后研究员乔尼-皮尔斯博士解释说："这是一个全世界的科学家都热衷于了解的领域--美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的主要科学动机之一就是研究宇宙中最早的星系，而韦伯甚至能够探测到最遥远的类星体发出的光，这些光是在近130亿年前发出的。类星体在我们了解宇宙的历史方面起着关键作用，也可能是银河系的未来"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356819.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356819.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

研究人员在类星体宿主星系中发现了恒星形成受抑制的证据

研究人员在类星体宿主星系中发现了恒星形成受抑制的证据类星体研究取得突破由北海道大学的德拉甘-萨拉克（DraganSalak）助理教授、筑波大学的桥本拓也（TakuyaHashimoto）助理教授和早稻田大学的井上明夫（AkioInoue）教授领导的研究小组首次发现了宇宙早期类星体宿主星系中的分子气体外流抑制恒星形成的证据。他们利用智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）进行的观测结果发表在《天体物理学报》上。从类星体J2054-0005喷出的分子气体的艺术印象。资料来源：ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)分子气体在星系中的作用分子气体对恒星的形成至关重要。作为恒星形成的主要燃料，星系内无处不在的高浓度分子气体会导致大量恒星的形成。分子外流将这些气体喷射到星系际空间的速度快于恒星形成所消耗的速度，从而有效地抑制了类星体所在星系中恒星的形成。萨拉克解释说："理论研究表明，分子气体外流从早期就在星系的形成和演化过程中发挥着重要作用，因为它们可以调节恒星的形成。类星体是能量特别高的来源，因此我们预计它们可能会产生强大的外流"。一组正在观测夜空的ALMA12米天线。本研究使用12米天线进行观测。资料来源：ESO/Y.Beletsky发现分子气体外流研究人员观测到的类星体J2054-0005具有非常高的红移--它和地球之间的移动速度显然非常快。桥本说："J2054-0005是遥远宇宙中最亮的类星体之一，因此我们决定把这个天体作为研究强大外流的绝佳候选天体。研究人员利用ALMA观测了类星体的分子气体外流。作为世界上唯一具有探测早期宇宙中分子气体外流的灵敏度和频率覆盖范围的望远镜，ALMA是这项研究的关键。"谈到研究中使用的方法，Salak评论道："外流分子（OH）气体是通过吸收发现的。这意味着我们观测到的微波辐射并非直接来自OH分子；相反，我们观测到的辐射来自明亮的类星体--吸收意味着OH分子恰好吸收了类星体的部分辐射。因此，这就像是通过看到气体在光源前投下的'影子'来揭示气体的存在"。类星体流出的分子气体包括羟基（OH）（上图）。由于分子气体向观测者方向运动，吸收光谱中的羟基峰（底部，蓝色虚线）出现在较短的波长上（蓝色实线），这种现象被称为多普勒效应。资料来源：ALMA（ESO/NAOJ/NRAO），修改自DraganSalak等人，《天体物理学杂志》。2024年2月1日对星系演化的影响这项研究的发现首次有力地证明了类星体宿主星系存在强大的分子气体外流，并对早期宇宙时代的星系演化产生影响。"分子气体是星系的重要组成部分，因为它是恒星形成的燃料，"Salak总结道。"我们的研究结果表明，类星体能够通过将分子气体喷射到星系际空间来抑制其宿主星系中恒星的形成。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421175.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421175.htm