詹姆斯·韦伯望远镜在不应该存在类星体的地方发现类星体

这幅由美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄的图像显示，一颗古老的类星体（红色圈内）的邻近星系（明亮的圆球）比预期的要少，这挑战了物理学家对第一颗类星体和超大质量黑洞形成过程的理解。 图片来源：Christina Eilers/EIGER 团队

类星体是位于星系中心的一个极其明亮的区域，由一个超大质量黑洞驱动。 当这个黑洞从周围吸入气体和尘埃时，会释放出巨大的能量，使类星体成为宇宙中最亮的天体之一。 类星体早在宇宙大爆炸后的几亿年就被探测到了，这就提出了一个问题：类星体是如何在如此短的宇宙时间内变得如此巨大和明亮的？

科学家们认为，第一批类星体是在原始物质密度过高的区域形成的，这很可能也孕育了附近较小的星系。 然而，麻省理工学院领导的一项最新研究发现，其中一些古老的类星体似乎是孤立存在的，并没有早期宇宙中预期的稠密星系环境。

天文学家们使用NASA的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）窥探了130多亿年前的时光，研究了五颗已知古老类星体的宇宙环境。 他们发现这些类星体的周围环境（或称"类星体场"）有着惊人的变化。 正如所有模型所预测的那样，一些类星体位于非常拥挤的星域中，邻近的星系超过 50 个，而其余的类星体似乎漂泊在空旷的地方，附近只有几个游离的星系。

这些孤独的类星体对物理学家的理解提出了挑战，他们不明白在宇宙中如此之早的时候，这些发光体是如何形成的，而周围又没有大量的物质来源来促进它们的黑洞生长。

类星体是遥远星系的强光中心，由吞噬气体和尘埃的超大质量黑洞驱动，释放出大量能量。 这些天体是宇宙中最亮的一些天体，在数十亿光年的距离内都能看到。 资料来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

"与之前的想法相反，我们发现平均而言，这些类星体并不一定位于早期宇宙中密度最高的区域。 它们中的一些似乎是坐落在荒无人烟的地方，"麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜-艾勒斯（Anna-Christina Eilers）说。"如果这些类星体看起来没有任何养料，就很难解释它们是如何长到这么大的。"

有一种可能性是，这些类星体可能并不像它们看起来的那样孤独，而是被星系所包围，而这些星系被大量的尘埃所笼罩，因此无法被观测到。 埃勒斯和她的同事希望调整他们的观测结果，试图看穿这些宇宙尘埃，从而了解类星体是如何在宇宙早期长得如此之大、如此之快的。

艾勒斯和她的同事在10月17日发表在Astrophysical Journal上的一篇论文中报告了他们的发现。 麻省理工学院的合著者包括博士后罗汉-奈杜（Rohan Naidu）和岳明皓；弗朗西斯-弗里德曼物理学教授、麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究所所长罗伯特-西姆科（Robert Simcoe）；以及来自莱顿大学、加州大学圣巴巴拉分校、苏黎世联邦理工学院等机构的合作者。

新观测到的五颗类星体是迄今为止观测到的最古老的类星体之一。 这些天体的年龄超过130亿年，被认为是在宇宙大爆炸后6亿到7亿年之间形成的。 驱动类星体的超大质量黑洞的质量是太阳的十亿倍，亮度是太阳的一万亿倍。 由于它们的光度极高，每个类星体发出的光都能穿越宇宙的年龄，远到足以到达今天 JWST 的高灵敏度探测器。

埃勒斯说："我们现在拥有的望远镜可以捕捉到 130 亿年前的光线，而且细节如此丰富，这实在是太惊人了。JWST第一次让我们能够观察这些类星体的环境，它们在哪里长大，它们的邻居是什么样的。"

研究小组分析了 JWST 在 2022 年 8 月至 2023 年 6 月期间拍摄的五颗古老类星体的图像。 对每颗类星体的观测都包括多幅"马赛克"图像，即类星体场的局部视图，研究小组将这些图像有效地拼接在一起，以生成每颗类星体周围邻域的完整图像。

该望远镜还测量了每个类星体场中多个波长的光线，研究小组随后对其进行了处理，以确定场中的特定物体是否是来自邻近星系的光线，以及该星系距离亮度更高的中心类星体有多远。

埃勒斯说："我们发现，这五颗类星体之间唯一的区别就是它们所处的环境看起来非常不同。例如，一个类星体周围有近 50 个星系，而另一个类星体周围只有两个星系。 而这两个类星体的大小、体积、亮度和宇宙时间都是相同的。 这实在令人惊讶。"

挑战标准模型

类星体场的差异给黑洞成长和星系形成的标准图景带来了难题。 根据物理学家对宇宙中第一批天体如何出现的最佳理解，暗物质的宇宙网络应该已经设定了方向。 暗物质是一种尚未知晓的物质形式，除了通过引力之外，它与周围环境没有其他相互作用。

在宇宙大爆炸后不久，早期宇宙被认为形成了暗物质丝，这些暗物质丝就像一条引力道路，吸引着气体和尘埃沿着它的卷须移动。 在这张网过于密集的区域，物质会积聚形成更大质量的天体。 而最亮、质量最大的早期天体，如类星体，会在网的最高密度区域形成，这些区域也会产生更多更小的星系。

"暗物质宇宙网是我们宇宙学模型的一个可靠预测，它可以通过数值模拟得到详细描述，"论文合著者、莱顿大学研究生埃利亚-皮扎蒂（Elia Pizzati）说。"通过将我们的观测结果与这些模拟结果进行比较，我们可以确定类星体在宇宙网络中的位置。"

科学家们估计，类星体必须以极高的吸积率持续增长，才能在天文学家观测到它们的时候，也就是大爆炸后不到10亿年的时候，达到极高的质量和光度。

"我们试图回答的主要问题是：在宇宙还非常非常年轻的时候，这些十亿太阳质量的黑洞是如何形成的？ 艾勒斯说："它还处于起步阶段。"

研究小组的发现提出的问题可能比答案更多。 这些"孤独"的类星体似乎生活在太空中相对空旷的区域。 如果物理学家的宇宙学模型是正确的，那么这些荒芜的区域就意味着暗物质，或者说酝酿恒星和星系的起始物质非常少。 那么，极其明亮和巨大的类星体是如何形成的呢？

埃勒斯说："我们的研究结果表明，关于这些超大质量黑洞是如何生长的，还有很大一块谜题没有解开。如果周围没有足够的物质让一些类星体能够持续增长，那就意味着它们一定还有其他的增长方式，而我们还没有弄清楚。"

编译自/SciTechDaily