哈勃第一次發現超大質量黑洞,約7.5億年前誕生,或找到缺失環節

根據哈勃太空望遠鏡的數據,一個國際天文學家團隊的天文學家已經在非常早期的宇宙中發現了一個不斷增長的 超大質量黑洞——當時宇宙只有 7.5 億年的歷史——這標志著第一次直接觀察到黑洞成長為一個巨大的超大質量黑洞。

長期以來,理論和計算機模擬一直預測,在塵土飛揚的早期宇宙星系中存在快速增長的黑洞,在這些星系中可以形成恒星,但這個被稱為  GNz7q 的黑洞是這個過程第一次得到證實,或能幫助科學家找到早期恒星形成星系和第一個超大質量黑洞之間的「缺失環節」。

超大質量黑洞是如何增長得如此之快的?

根據當下流行的宇宙模型,黑洞是在一顆大質量恒星耗??盡燃料后形成的,有時是由超新星引起的,有時是由超新星引起的,這被稱為直接坍縮情景。一旦恒星沒有燃料可以燃燒,它就不能再支撐它的質量并坍縮。如果這顆恒星的質量足夠大,它將坍縮成一個具有巨大引力的物體,任何東西,甚至光都無法從中逃脫——黑洞。隨著黑洞逐漸吸引越來越多的附近塵埃和氣體,它的體積會變大,最終可能形成超大質量黑洞。

然而,科學家發現早期宇宙(當宇宙只有7億年時)就已存在許多質量大約是太陽質量的 10 億倍的超大質量黑洞,它們周圍環繞著下落的物質盤,發出強烈的光芒,我們可以跨越巨大的空間和時間探測到它們。在宇宙歷史的那個時刻,宇宙還是一個蹣跚學步的Baby。重力剛剛開始控制氣體和暗物質云形成結構,這些結構后來演變成成熟的螺旋星系和橢圓星系。恒星開始出現,但它們的數量比今天少得多。

按照黑洞形成和增長的趨勢,此時的宇宙根本就沒有足夠長的時間讓黑洞的體積達到十億個太陽質量。那如此巨大的黑洞是如何在宇宙歷史上如此迅速地出現的呢?

到目前為止,關于超大質量黑洞形成的理論暗示有兩個,一個是它發生在以非常快的速度形成恒星的星系的塵埃籠罩的核心——被稱為「星暴(Starburst)」星系,另一個則是古老的類星體中孕育了超大質量黑洞的種子黑洞——10000 個太陽質量。

星暴星系!

所謂星暴星系,大體意思指的是恒星形成速度極快的星系(大約是正常星系的 10的3次方 倍),它們每年都會形成成千上萬的新恒星。雖然星暴星系在當下十分罕見,但天文學家發現它們在早期宇宙中非常普遍。

那麼,當我們自己的銀河系新恒星形成的速度相對較慢時,為什麼會形成星暴星系呢?最流行的理論是,當一個星系與另一個星系近距離相遇時,它就會進入星暴階段。引力相互作用通過巨大的氣體云發送沖擊波,導致它們坍縮并形成恒星形成區域。這些創造了宇宙中一些最大的恒星——擁有超過 100 個太陽質量的怪物恒星。

這些大質量恒星的壽命很短,并以超新星的形式爆炸,向銀河系中釋放出更多的沖擊波。這會產生連鎖反應,在銀河系中級聯。在幾百萬年內,銀河系正在以正常星系形成速度的數十甚至數百倍的速度形成恒星。然后當氣體用完時,在大約 1000 萬年之內,恒星形成的時期就結束了。

目前天文學家在宇宙中發現了數以千計的星暴星系,其中最著名的星暴星系之一是 M82,它位于大熊座,距離我們約 1200 萬光年。哈勃太空望遠鏡在 2005 年對銀河系進行了成像,發現在星暴核心中同時發生了 197 個巨大的恒星形成團,而且M82 的變化是由它與附近 M81 星系的引力相互作用驅動的。

快速增長的黑洞是超大質量黑洞的「先驅」?

通過哈勃數據,GNz7q 在大爆炸后僅 7.5 億年就存在了。而且分析表明,GNz7q 是星暴星系塵埃核心中快速增長的黑洞的第一個例子,其時代接近宇宙中已知最早的超大質量黑洞。

與此同時,科學家發現物體 GNz7q 具有兩種特性:星暴星系和類星體,其中類星體的光顯示出塵埃變紅的顏色。該物體似乎也缺少一些通常在高亮度類星體中可見的特征,這表明超大質量黑洞周圍的吸積盤。這意味著不斷增長的黑洞仍處于質量較小的階段,但其行為和環境與模擬的預測相符。

另外GNz7q 的宿主星系正在以每年 1,600 個太陽質量的速度形成恒星,而 GNz7q 本身在紫外線波長下看起來很亮,但在 X 射線波長下卻非常微弱。

一般來說,大質量黑洞的吸積盤在紫外線和 X 射線光下都應該非常明亮。但這一次,盡管該團隊用哈勃望遠鏡探測到了紫外線,但即使使用最深的 X 射線數據集之一,X 射線也是不可見的。這些結果表明,X 射線起源的吸積盤的核心仍然是模糊的。而吸積盤的外部,即紫外光的來源,正在變得清晰。這種解釋是 GNz7q 是一個快速增長的黑洞,仍然被其恒星形成宿主星系的塵埃核心所掩蓋。

總而言之,GNz7q 的發現為我們在后期觀察到的超大質量黑洞提供了一個前兆。一旦詹姆斯韋伯太空望遠鏡正常運行,我們就知道這些快速增長的黑洞到底有多普遍。

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