類星體是星系的極其明亮的核心，中心有一個(gè)活躍的超大質(zhì)量黑洞。當(dāng)黑洞吸引周圍的氣體和塵埃時(shí)，會(huì)釋放出巨大的能量，使類星體成為宇宙中最明亮的天體之一。類星體早在宇宙大爆炸后幾億年時(shí)就被觀測(cè)到，但這些天體是如何在如此短的宇宙時(shí)間內(nèi)變得如此明亮和巨大的，一直是一個(gè)謎。
科學(xué)家們提出，最早的類星體可能起源于原始物質(zhì)的過(guò)度密集區(qū)域，這些區(qū)域同時(shí)會(huì)在類星體的環(huán)境中產(chǎn)生許多較小的星系。但在 MIT 主導(dǎo)的一項(xiàng)新研究中，天文學(xué)家觀測(cè)到了一些古老的類星體，它們?cè)谠缙谟钪嬷酗@得出人意料地孤立。
天文學(xué)家使用 NASA 的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），回溯了 130 多億年的時(shí)間，研究了五個(gè)已知古老類星體的宇宙環(huán)境。他們發(fā)現(xiàn)這些類星體周圍的環(huán)境有著令人驚訝的多樣性，或稱為“類星體場(chǎng)”。一些類星體位于非常擁擠的區(qū)域，周圍有超過(guò) 50 個(gè)星系，這與所有模型的預(yù)測(cè)一致；但另外一些類星體似乎漂浮在空曠的區(qū)域，附近只有少量星系。
這些孤獨(dú)的類星體對(duì)物理學(xué)家提出了挑戰(zhàn)，困惑于這些如此明亮的天體在宇宙早期如何形成，因?yàn)樗鼈冎車狈ψ銐虻奈镔|(zhì)來(lái)為其黑洞的成長(zhǎng)提供燃料。
MIT 物理學(xué)助理教授 Anna-Christina Eilers 表示：“與之前的認(rèn)知不同，我們發(fā)現(xiàn)這些類星體平均來(lái)說(shuō)并不一定位于早期宇宙中密度最高的區(qū)域。其中一些似乎坐落在什么都沒有的地方。如果它們周圍沒有足夠的物質(zhì)，很難解釋它們是如何長(zhǎng)得如此巨大的?！?/p>
一種可能性是，這些類星體并非如它們看起來(lái)那樣孤立，而是被厚重的塵埃遮蓋，致使周圍的星系無(wú)法被觀測(cè)到。Eilers 和她的同事希望通過(guò)調(diào)整觀測(cè)方式，試圖穿透這些可能存在的宇宙塵埃，以更好地理解類星體在宇宙早期是如何如此快速成長(zhǎng)的。
Eilers 和她的同事在今天發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》上的論文中報(bào)告了他們的研究結(jié)果。MIT 的合著者包括博士后 Rohan Naidu 和 Minghao Yue，MIT 物理學(xué)教授兼 MIT 卡弗里天體物理與空間研究所所長(zhǎng) Robert Simcoe，以及來(lái)自萊頓大學(xué)、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的合作者。
星系鄰居
這五個(gè)新觀測(cè)到的類星體是迄今為止觀測(cè)到的最古老的類星體之一，超過(guò) 130 億年的歷史。它們被認(rèn)為形成于大爆炸后 6 至 7 億年之間。驅(qū)動(dòng)這些類星體的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的十億倍，亮度超過(guò)一萬(wàn)億倍。由于它們極其明亮的光線，每個(gè)類星體的光能夠跨越宇宙的時(shí)間，傳遞到如今 JWST 的高靈敏度探測(cè)器上。
Eilers 表示：“令人震撼的是，我們現(xiàn)在有一臺(tái)能夠以如此細(xì)節(jié)捕捉 130 億年前光線的望遠(yuǎn)鏡。第一次，JWST 使我們能夠觀察這些類星體的環(huán)境，它們是在哪里成長(zhǎng)的，以及它們的周圍是什么樣的?！?/p>
研究團(tuán)隊(duì)分析了 JWST 在 2022 年 8 月至 2023 年 6 月期間拍攝的這五個(gè)古老類星體的圖像。每個(gè)類星體的觀測(cè)都包含多個(gè)“馬賽克”圖像，即類星體場(chǎng)的部分視圖，團(tuán)隊(duì)將這些視圖拼接在一起，繪制出了每個(gè)類星體周圍環(huán)境的完整圖像。
望遠(yuǎn)鏡還對(duì)每個(gè)類星體場(chǎng)中的多種波長(zhǎng)光進(jìn)行了測(cè)量，團(tuán)隊(duì)通過(guò)處理這些數(shù)據(jù)，來(lái)確定場(chǎng)中的某個(gè)天體是否來(lái)自鄰近星系的光線，以及這些星系與中心明亮類星體之間的距離。
Eilers 說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)這五個(gè)類星體之間唯一的差異是它們的環(huán)境差異極大。例如，一個(gè)類星體周圍有近 50 個(gè)星系，而另一個(gè)只有兩個(gè)。這兩個(gè)類星體的大小、體積、亮度和宇宙的時(shí)間點(diǎn)都是相同的。看到這一點(diǎn)真的讓人感到意外?！?/p>
快速成長(zhǎng)
類星體場(chǎng)的差異給黑洞成長(zhǎng)和星系形成的標(biāo)準(zhǔn)模型帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)物理學(xué)家對(duì)宇宙中第一批天體如何出現(xiàn)的理解，暗物質(zhì)的宇宙網(wǎng)應(yīng)當(dāng)在這一過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。暗物質(zhì)是一種尚未探明的物質(zhì)，除了通過(guò)引力與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用外，它沒有其他互動(dòng)。
大爆炸后不久，早期宇宙被認(rèn)為形成了由暗物質(zhì)組成的纖維網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)像引力公路一樣，吸引氣體和塵埃沿著它的觸須匯聚。在這些網(wǎng)絡(luò)的高密度區(qū)域，物質(zhì)積聚形成了更大質(zhì)量的天體。而最亮、最龐大的早期天體，如類星體，應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)的高密度區(qū)域形成，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多的小型星系。
萊頓大學(xué)的研究生 Elia Pizzati 表示：“暗物質(zhì)的宇宙網(wǎng)是我們宇宙學(xué)模型中的一個(gè)穩(wěn)固預(yù)測(cè)，并且可以通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行詳細(xì)描述。通過(guò)將我們的觀測(cè)與這些模擬進(jìn)行比較，我們可以確定類星體在宇宙網(wǎng)中的位置?！?/p>
科學(xué)家估計(jì)，類星體必須以極高的吸積率持續(xù)增長(zhǎng)，才能在大爆炸后不到 10 億年的時(shí)間內(nèi)達(dá)到如此巨大的質(zhì)量和亮度。
Eilers 表示：“我們想要回答的主要問(wèn)題是，這些擁有數(shù)十億太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，是如何在宇宙仍然非常非常年輕時(shí)形成的？那個(gè)時(shí)候，宇宙還處于嬰兒期?！?/p>
研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)更多問(wèn)題。這些“孤獨(dú)”的類星體似乎位于相對(duì)空曠的區(qū)域。如果物理學(xué)家的宇宙學(xué)模型是正確的，那么這些荒蕪區(qū)域意味著幾乎沒有暗物質(zhì)，也沒有足夠的起始材料來(lái)孕育恒星和星系。那么，這些極其明亮和巨大的類星體又是如何誕生的呢？
Eilers 說(shuō)：“我們的結(jié)果表明，我們?nèi)匀蝗鄙訇P(guān)于這些超大質(zhì)量黑洞如何成長(zhǎng)的重要線索。如果有些類星體周圍的物質(zhì)不足以讓它們持續(xù)增長(zhǎng)，那么這意味著它們可能通過(guò)其他我們尚未發(fā)現(xiàn)的方式來(lái)成長(zhǎng)?！?/p>
這項(xiàng)研究得到了歐洲研究委員會(huì)的部分資助。
https://news.mit.edu/2024/astronomers-detect-ancient-lonely-quasars-murky-origins-1017
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