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（Robert Simcoe）、麻省理工学院哈勃研究员和博士后罗汉-奈杜（Rohan Naidu），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