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透過(guò)類星體窺早期宇宙：從黑暗到再電離時(shí)期，超大質(zhì)量黑洞如何推波助瀾？

更多可能擁有噴流的超大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)引出了一個(gè)問(wèn)題：這些黑洞是怎樣在短時(shí)間內(nèi)變得如此巨大的？一張?jiān)缙?a class="keyword-search" >宇宙中的超大質(zhì)量黑洞圖片

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的類星體，它可能對(duì)早期宇宙“點(diǎn)亮燈光”起到了助力作用。

NASA的Nu-STAR （核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列）X射線空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了這個(gè)類星體劇烈的明滅變化現(xiàn)象。該觀測(cè)結(jié)果與NASA的錢德拉X射線空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)相應(yīng)正在捕獲物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。

這個(gè)新發(fā)現(xiàn)有助于解釋在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，早期宇宙的“黑暗年代”是如何畫上句號(hào)，而諸多黑洞的質(zhì)量是如何迅速增長(zhǎng)到數(shù)百萬(wàn)乃至數(shù)十億倍于太陽(yáng)的。

理論上講，超級(jí)黑洞是通過(guò)合并較小黑洞和吞噬大量氣體塵埃成長(zhǎng)得巨大如斯的，而問(wèn)題在于該進(jìn)程應(yīng)當(dāng)至少需要十億年方能完成。這意味著在大爆炸之后一百萬(wàn)年內(nèi)便已存在的超大質(zhì)量黑洞向天文學(xué)家們拋出了一個(gè)令他們冥思苦想的難題。

神秘的螺旋星系噴流讓天文學(xué)家們困惑：“我起初以為我完全搞錯(cuò)了?！?/p>

首個(gè)被拍攝到的超大質(zhì)量黑洞噴射出意料之外的伽馬射線暴

目前，一個(gè)編號(hào)為CFHQS J142952+54471(J1429+5447)]的類星體的相關(guān)研究正在展開(kāi)。它距離地球如此遙遠(yuǎn)，以至于其光線傳播到地球需要接近130億年。這讓它正巧呈現(xiàn)出身處那個(gè)宇宙早期“難題時(shí)代”尾聲時(shí)的樣貌。

“研究中，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)類星體的噴流很可能直指地球——而我們也從中窺見(jiàn)了它在宇宙創(chuàng)生十億年時(shí)的樣貌。”研究團(tuán)隊(duì)帶頭人、耶魯大學(xué)研究員Lea Marcotulli在一篇報(bào)告中寫道。

這一時(shí)間線意味著這個(gè)預(yù)估約2億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超級(jí)黑洞正處于名為“再電離時(shí)代”的宇宙關(guān)鍵時(shí)期。

要有光……

自宇宙爆炸起11億年的那段時(shí)期被稱為宇宙黑暗時(shí)代。

當(dāng)宇宙大約380000歲時(shí)，它已經(jīng)冷卻下來(lái)并允許電子和質(zhì)子結(jié)合并形成原子。自由電子的小事意味著光子（光的基本粒子）不再被無(wú)休止地散射，而是能夠真正長(zhǎng)距離傳播。

換言之，宇宙突然之間從混沌轉(zhuǎn)為透明，而當(dāng)初“第一縷光”的化石碎片至今仍以宇宙微波背景碎片的形式存在。

然而，隨著宇宙繼續(xù)冷卻，更多的中性氫原子形成并開(kāi)始大量吸收光子。這導(dǎo)致宇宙再次陷入黑暗，宇宙黑暗時(shí)代就此開(kāi)啟。

本時(shí)間線總結(jié)了宇宙的演化過(guò)程，左側(cè)是大爆炸，右側(cè)是宇宙誕生后約20億年。隨著再電離的發(fā)生，第一批恒星和黑洞發(fā)出的輻射清除了中性氫的迷霧。（圖片來(lái)源：NASA/CXC/M. Weiss）

再電離時(shí)代指的是大爆炸后6.8億年至11億年之間的時(shí)期，在此期間，高能光開(kāi)始將電子從氫離子中剝離，使光能夠再次自由傳播。

盡管人們認(rèn)為第一批恒星的紫外光是再電離過(guò)程的關(guān)鍵，但科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直懷疑還有其他高能光源也在推波助瀾。

于是，早期類星體在此走到了臺(tái)前。

“再電離時(shí)代被認(rèn)為是宇宙黑暗時(shí)代的休止符，”研究團(tuán)隊(duì)成員、錢德拉X射線中心科學(xué)家Thomas Connor表示?！霸匐婋x的確切時(shí)間進(jìn)程和引發(fā)因素仍無(wú)定論，而活躍中的超大質(zhì)量黑洞的吸積作用或?yàn)殛P(guān)鍵一手。

類星體讓早期宇宙重見(jiàn)天日

類星體出現(xiàn)在超大質(zhì)量黑洞長(zhǎng)啜大嚼周邊物質(zhì)的地方。

這些超大質(zhì)量黑洞在被稱為“吸積盤”，最后將會(huì)被黑洞吞噬的扁平物質(zhì)云中制造出巨大的摩擦力。此外，未被黑洞吞噬的物質(zhì)會(huì)被引向其兩極，并被拋射成為一股接近光速的噴流。

這使得像J1429+5447這樣的類星體在電磁波譜上的亮度通常超過(guò)其周圍星系中所有恒星的總和。

因此，它們不僅是研究宇宙黑暗時(shí)代終結(jié)的理想光學(xué)對(duì)象，也是招致這一重要宇宙相變的主要嫌疑對(duì)象，因?yàn)樗鼈兛赡芴峁┝穗婋x中性氫所需的能量。

Connor及其同事將NuSTAR對(duì)J1429+5447的觀測(cè)結(jié)果與錢德拉望遠(yuǎn)鏡對(duì)同一類星體的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。

本圖為錢德拉（右上）和NuSTAR（左下）對(duì)同一超大質(zhì)量黑洞類星體的觀測(cè)結(jié)果。（圖片來(lái)源：Robert Lea，使用Canva制作）

研究人員發(fā)現(xiàn)，J1429+5447的X射線輻射強(qiáng)度在四個(gè)月內(nèi)翻了一番。這對(duì)于一個(gè)已經(jīng)存在1656億個(gè)月的宇宙而言已經(jīng)不過(guò)須臾之間，但相對(duì)論的時(shí)間扭曲效應(yīng)意味著這個(gè)早期超大質(zhì)量黑洞此番變化的實(shí)際時(shí)長(zhǎng)還要從四周壓縮到僅僅兩周之內(nèi)。

“這是因?yàn)閲娏鬟\(yùn)動(dòng)速度接近光速，而愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論效應(yīng)加速并放大了這種變化，”來(lái)自耶魯大學(xué)文理學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)成員Meg Urry解釋道?！斑@種X射線變化的強(qiáng)度和速度都達(dá)到了極端水平。這幾乎可以肯定是由于噴流指向我們——一個(gè)錐形區(qū)域，其中的粒子被輸送到距離中央超大質(zhì)量黑洞達(dá)一百萬(wàn)光年的地方。”