出乎意料的是，大质量黑洞主宰着遥远宇宙中的小星系 _黑洞

出乎意料的是，大质量黑洞主宰着遥远宇宙中的小星系。Credit: CfA/Melissa Weiss
据哈佛史密森天体物理中心：天文学家发现早期星系中心的超大质量黑洞比预期的要大得多。这些令人惊讶的巨大黑洞为所有超大质量黑洞的起源以及它们所在星系生命的早期阶段提供了新的见解。
在附近的成熟星系中，如我们的银河系，恒星的总质量远远超过星系中心发现的大黑洞的质量，大约是1000比1 。然而，在新发现的遥远星系中，质量差下降到100或10比1，甚至1比1，这意味着黑洞可以等于其宿主星系恒星的质量总和。
这张新生星系中出乎意料的巨大黑洞的照片来自美国国家航空航天局最新旗舰天文台詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST) 。在2021年底发射的JWST之前，天文学家通常将他们对遥远黑洞的研究局限于极其明亮的类星体，这些类星体由吞噬物质的巨大黑洞组成，完全超越了它们所在星系的恒星。
“有了JWST，我们现在终于可以在遥远的小星系中观察到质量较低但仍然超大质量的黑洞，我们也可以看到这些宿主星系中的恒星，”哈佛&史密森尼天体物理中心(CfA)的Clay研究员Fabio Pacucci说。“这让我们第一次能够研究早期黑洞和它们的宿主星系，因为它们一起进化。”
Pacucci是发表在天体物理学杂志Letters上的一项新研究的主要作者，报告了这些发现，并在路易斯安那州新奥尔良举行的美国天文学会第243届会议上提交了这些结果。
“我们已经知道，遥远的年轻星系违反了黑洞质量和恒星质量之间的关系，这种关系在附近的成熟星系中已经得到了很好的确立:这些原始黑洞相对于它们宿主的恒星数量来说无疑是过大的， ”剑桥大学(英国)教授兼该研究的合著者Roberto Maiolino说。“有了JWST，将有可能通过找到比迄今为止发现的黑洞更远更小的黑洞来查明第一个超大质量黑洞是如何形成的，我们的研究预测这些黑洞相当丰富。”
在这项研究中，帕库奇和他的同事们对一组21个星系进行了统计分析，这些星系距离我们大约120亿至130亿光年，并通过三次发表的JWST巡天进行了观察。
这21个星系拥有中心黑洞，其典型质量估计是我们太阳的几千万或几亿倍——仍然超大质量，但与迄今为止观察到的大多数遥远类星体的黑洞相比微不足道，这些类星体的质量是太阳的几十亿倍。
“总的来说，我们看到JWST观测到的年轻星系中的黑洞比本地宇宙中的比例关系预测的要大10到100倍，”亚利桑那大学教授、该研究的合著者范晓辉说。“与现在相比，100多亿年前，早期星系中恒星质量与黑洞质量的比率要低得多。这一结果对研究第一批黑洞具有重要意义。”
准确估计这个比率应该有助于表明超大质量黑洞前体——被称为黑洞种子——是如何起源的。大体上，天文学家已经勾勒出两条主要路径:“轻”或“重”种子。
轻黑洞种子的质量相对较低，大约是太阳质量的100到1000倍。这些光种子可能是宇宙最初的巨大恒星的残余物。另一方面，重黑洞的种子会有大约10，000到100，000个太阳质量。理论上，如此巨大的种子来自于巨大气体云的直接重力坍缩。
重种子路线通过从更高的起点为增长奠定基?。?应该有助于非常早期的超大质量黑洞的及时形成，这些黑洞是研究小组在过去二十年中在越来越远的距离上发现的。对超大质量黑洞的新发现证实了重种子的想法，因为对这一路径的模拟和理论计算预测，黑洞应该与它们所在的年轻星系的恒星成分大致一样大，甚至更大。
星系是如何围绕原始黑洞种子形成和共同进化的，仍然是一个悬而未决的天体物理学问题。黑洞主要是通过吸入气体，还是通过与其他黑洞合并而成长的？恒星质量是主要在星系内部形成的，还是需要与其他更大的星系合并？帕库奇和他的团队预计，随着更多的JWST研究，答案将开始实现。
“随着宇宙时间的推移，我们知道恒星与黑洞的质量比逐渐赶上现代宇宙的1000比1 。“这发生在黑洞和它的宿主星系一起进化的时候，与其他星系合并，形成大量的恒星，”帕库奇说。“我们仍在努力的是深入观察宇宙，拼凑出这一切是如何开始的。”
除了范晓辉(Xiaohui Fan)和罗伯托·迈奥利诺(Roberto Maiolino)之外，该论文的合著者还有亚利桑那大学的鲍·阮(Bao Nguyen)和意大利比萨高等师范学院(Scuola Normale Superiore)的斯特凡诺·卡尼亚尼(Stefano Carniani) 。所使用的JWST巡天是JWST高级深河外巡天(JADES)、宇宙演化早期释放科学巡天(CEERS)和NIRSpec IFS星系集合巡天(GA-NIFS) 。