研究:天文学家发现最遥远的类星体

1月 21, 2021
Contact: Debing Su debingsu@umich.edu

Artist rendering of a quasar. Image credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

包括密西根大学研究人员在内的一组天文学家观测到距离地球130.3亿光年的发光类星体,这是迄今为止发现的最遥远的类星体(quasar)。

类星体是一个中心有一个超大质量黑洞的发光物体,它揭示了黑洞是如何生长。类星体可以追溯到大爆炸之后的6.7亿年,当时宇宙仅是其现在年龄的5%,类星体拥有一个超大的黑洞,相当于16亿个太阳的总质量。

这个最遥远的类星体,同时也是最早的已知的类星体。该星体是同类中的第一个显示过热气流出的风以五分之一的光速从黑洞周边逸出。除了揭示强类星体驱动的风之外,观测还显示了类星体(正式名称为J0313-1806)所在的宿主星系中强烈的恒星形成活动。

类星体被认为是由于超大质量黑洞吞没了周围的物质(例如气体甚至整个恒星),导致了过热物质的漩涡(称为吸积盘)在黑洞周围旋转。由于涉及巨大的能量,类星体是宇宙中最明亮的光源之一,通常比它们的宿主星系更耀眼。

尽管J0313-1806比先前记录保持者远2000万光年,但它包含一个超大黑洞,其重量是原先的两倍。这标志着宇宙学的重大进步,因为它对早期宇宙中黑洞的形成(理论)提供了最强的“约束”。

该论文的主要作者,亚利桑那大学(University of Arizona)天文台的哈勃研究员王飞格(Feige Wang) 说:“这是超大质量黑洞如何影响其周围星系的最早证据。通过观察距离较远的星系,我们知道这是必然发生的,但我们从未见过会如此之早在宇宙中发生。”

在宇宙还很年轻的时候,类星体已经在其黑洞中积累了数百万甚至数十亿个太阳质量,这对科学家很难试图解释它们是如何在短时间内存在。关于黑洞形成的一种普遍接受的解释是,一颗恒星在生命尽头以超新星的形式爆炸成黑洞。当这些黑洞随时间合并,理论上它们可以成长为超大质量的黑洞。

但是,就像每年放1美金,这需要花几辈子才能建立起一个具有规模的退休金,早期宇宙中的类星体有点像含着金钥匙出生的百万富翁,它们一定是通过其他方式获得了质量。

新发现的类星体挑战了在如此短的时间尺度上形成超大质量黑洞的两个当前理论模型。在第一个模型中,主要由氢元素构成的第一代贫金属恒星组成了年轻星系,并为新生的黑洞提供“食粮”。第二个模型涉及密集的星团,这些星团从一开始就坍塌成一个巨大的黑洞。

然而,根据发现它的团队,类星J0313-1806拥有一个黑洞,该黑洞太大,无法用上述情况解释。研究小组计算得出,如果黑洞的中心早在大爆炸之后就形成了1亿年,并且以尽可能快的速度增长,那么它仍然必须至少有10,000个太阳质量。

研究的另一合著者,亚利桑那大学天文学系副主任樊晓辉 (Xiaohui Fan) 教授说:“这告诉你,这个黑洞的’种子’一定是由不同的机制形成的。在这种情况下,涉及大量原始冷氢气的气体直接塌陷到黑洞种子中。” 由于这种机制不需要成熟的恒星作为原料,因此它是唯一一种允许类星体J0313-1806超大质量黑洞生长到16亿太阳质量的机制。樊教授解释说,这就是新记录类星体如此有价值的原因。

“一旦您降低了红移,所有的模型都可以解释那些距离较远,质量较小的类星体的存在。为了使黑洞增长到我们在J0313-1806中看到的大小,它必须以至少10,000太阳质量的种子黑洞开始,并且只有在直接坍塌的情况下才有可能。” 他补充。

密西根大学的天文学家李江涛(Jiangtao Li) 通过对最遥远的类星体的X射线观测以及通过类星体红移的紫外线吸收线研究位于观测者和类星体之间的星系际介质,为该团队的许多相关项目做出了贡献。

研究员还包括斯图尔德天文台的Richard Green 及博士生岳明昊(Minghao Yue)。研究由NASA, 美国国家科学基金会、欧洲研究理事会和中国国家科学基金会资助。