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

摘要:

天文学家利用詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)探测到了起源不明的古老孤独类星体。 它们似乎很少有宇宙邻居,这让人们对它们是如何在130多亿年前首次出现的产生了疑问。

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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。

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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

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