天文学家探测到起源不明的古老孤独类星体 _类星体

这张由美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的照片显示了一个古老的类星体（红色圆圈），其邻近星系（明亮的斑点）比预期的要少，这挑战了物理学家对第一批类星体和超大质量黑洞形成方式的理解。图片来源：Christina Eilers/EIGER团队
据麻省理工学院（Jennifer Chu）：类星体是星系中极其明亮的核心，其中心有一个活跃的超大质量黑洞。当黑洞吸入周围的气体和尘埃时，它会释放出巨大的能量，使类星体成为宇宙中最明亮的物体之一。类星体早在大爆炸后的数亿年就被观测到了，这些天体如何在如此短的宇宙时间内变得如此明亮和巨大，一直是个谜。
科学家们提出，最早的类星体起源于原始物质过于密集的区域，这些区域也会在类星体的环境中产生许多较小的星系。但在麻省理工学院领导的一项新研究中，天文学家观察到一些古老的类星体，它们在早期宇宙中似乎出奇地孤独。
天文学家利用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）追溯到130多亿年前，研究了五个已知古代类星体的宇宙环境。他们在其邻近区域或“类星体场”中发现了令人惊讶的变化。正如所有模型预测的那样，虽然一些类星体位于有50多个邻近星系的非常拥挤的场中，但其余的类星体似乎在空隙中漂移，附近只有几个流浪星系。
这些孤独的类星体正在挑战物理学家对这些发光物体如何在宇宙早期形成的理解，而没有周围物质的重要来源来推动它们的黑洞生长。
麻省理工学院物理学助理教授Anna-Christina Eilers表示：“与之前的观点相反，我们发现这些类星体平均不一定位于早期宇宙中密度最高的区域。其中一些类星体似乎坐落在一个偏僻的地方。” 。“如果这些类星体似乎没有任何食物来源，很难解释它们是如何变得如此之大的。”
这些类星体可能并不像它们看起来那么孤独，而是被大量被尘埃笼罩的星系包围着，因此看不见。Eilers和她的同事们希望调整他们的观测，试图看穿任何这样的宇宙尘埃，以了解类星体在早期宇宙中是如何变得如此之大、如此之快的。
Eilers和她的同事在《天体物理学杂志》上发表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乃都和岳明浩；罗伯特·西姆科，弗朗西斯·弗里德曼物理学教授，麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所所长；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。
星系邻居
这五个新观测到的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，被认为是在大爆炸后6亿至7亿年形成的。为类星体提供动力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以上。由于它们的极端光度，来自每个类星体的光能够穿越宇宙的年龄，足以到达今天JWST的高灵敏度探测器。
埃勒斯说：“我们现在有一台望远镜，可以如此详细地捕捉130亿年前的光线，这真是太神奇了。” 。“JWST首次使我们能够观察这些类星体的环境，它们在哪里长大，以及它们的邻居是什么样子的。”
该团队分析了JWST在2022年8月至2023年6月期间拍摄的五个古代类星体的图像。对每个类星体的观测包括多个“马赛克”图像，或类星体场的部分视图，该团队有效地将这些图像拼接在一起，以生成每个类星体周围环境的完整图像。
该望远镜还测量了每个类星体场中多个波长的光，然后该团队对其进行处理，以确定场中给定的物体是否是来自邻近星系的光，以及星系距离更明亮的中心类星体有多远。
“我们发现这五个类星体之间的唯一区别是它们的环境看起来如此不同，”Eilers说。“例如，一个类星体周围有近50个星系，而另一个只有两个。这两个类星体在宇宙的大小、体积、亮度和时间上都是相同的。这真是令人惊讶。”
增长突飞猛进
类星体场的差异在黑洞生长和星系形成的标准图像中引入了扭结。根据物理学家对宇宙中第一个物体是如何出现的最好理解，一个由暗物质组成的宇宙网络应该已经设定了方向。暗物质是一种未知的物质形式，除了通过引力外，它与周围环境没有其他相互作用。
大爆炸后不久，早期宇宙被认为形成了暗物质细丝，充当了一种引力之路，沿着它的卷须吸引气体和尘埃。在这个网络的过于密集的区域，物质会积聚形成更大的物体。而最明亮、质量最大的早期天体，如类星体，将在网络密度最高的区域形成，这也将产生更多、更小的星系。
莱顿大学研究生、合著者Elia Pizzati说：“暗物质的宇宙网是我们宇宙模型的可靠预测，可以通过数值模拟进行详细描述。” 。“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中的位置。”
科学家估计，类星体必须以非常高的吸积率持续增长，才能在天文学家观测到它们的时候达到极端的质量和亮度，即大爆炸后不到10亿年。
埃勒斯说：“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？它还处于起步阶段。” 。
该团队的发现可能会引发更多的问题而不是答案。“孤独”的类星体似乎生活在相对空旷的空间区域。如果物理学家的宇宙学模型是正确的，那么这些贫瘠的区域意味着几乎没有暗物质，也没有孕育恒星和星系的起始材料。那么，极其明亮和巨大的类星体是如何形成的呢？
“我们的结果表明，这些超大质量黑洞是如何生长的，仍然缺少一个重要的谜题，”Eilers说。“如果周围没有足够的物质让一些类星体能够持续生长，这意味着它们一定有其他的生长方式，我们还没有弄清楚。”