天文学家观察到古代类星体周围难以捉摸的恒星光

麻省理工学院的天文学家观察到了宇宙中一些最早的类星体周围难以捉摸的星光。这些遥远的信号可以追溯到超过 130 亿年前的宇宙萌芽期，它们正在揭示最早的黑洞和星系如何演化的线索。

类星体是活跃星系的炽热中心，其核心拥有一个贪得无厌的超大质量黑洞。大多数星系都有一个中心黑洞，偶尔会吞噬气体和恒星碎片，当物质旋向黑洞时，会产生短暂的发光环形式的光爆发。

相比之下，类星体可以在更长的时间内消耗大量物质，产生极其明亮且持久的环——事实上，类星体是如此明亮，以至于成为宇宙中最发光的物体之一。

因为类星体非常明亮，所以它们的亮度比它们所在的星系的其他部分都要亮。但麻省理工学院的研究小组首次观察到三个古老类星体的宿主星系中恒星发出的微弱光。

根据这种难以捉摸的恒星光，研究人员估计了每个宿主星系的质量，并与其中心超大质量黑洞的质量进行比较。他们发现，与现代类星体相比，这些类星体的中心黑洞相对于它们的宿主星系要大得多。

今天发表在《天体物理学杂志》上的研究结果可能会揭示最早的超大质量黑洞是如何在宇宙时间相对较短的情况下变得如此巨大的。特别是，那些最早的巨型黑洞可能是从比现代黑洞更大的“种子”中发芽的。

研究报告的作者、麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的博士后明浩说：“宇宙形成后，就有了种子黑洞，它们会消耗物质并在很短的时间内生长。” “最大的问题之一是了解这些怪物黑洞如何能够变得如此之大、如此之快。”

“当宇宙仍处于婴儿期时，这些黑洞的质量比太阳大数十亿倍，”研究作者、麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯说。 “我们的结果表明，在早期宇宙中，超大质量黑洞可能在其宿主星系之前就已经获得了质量，并且最初的黑洞种子可能比今天的质量更大。”

Eilers 和 Yue 的合著者包括麻省理工学院 Kavli 主任 Robert Simcoe、麻省理工学院哈勃研究员和博士后 Rohan Naidu，以及​​瑞士、奥地利、日本和北卡罗来纳州立大学的合作者。

耀眼的核心

自从天文学家在 20 世纪 60 年代首次发现类星体以来，类星体的极端光度就显而易见了。他们当时假设类星体的光源自一个单一的、类似恒星的“点光源”。科学家将这些物体命名为“类星体”，作为“准恒星”物体的合成词。

自从这些第一次观测以来，科学家们意识到类星体实际上并不是恒星起源，而是源自位于星系中心的强大且持久的超大质量黑洞的吸积，这些黑洞也拥有恒星，与它们耀眼的恒星相比，这些黑洞要暗淡得多核心。

将类星体中心黑洞发出的光与宿主星系恒星发出的光分开是极具挑战性的。这项任务有点像辨别中央巨大探照灯周围的萤火虫区域。但近年来，随着美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的发射，天文学家有了更好的机会做到这一点，该望远镜能够观测到更远的时间，并且比任何现有的望远镜都具有更高的灵敏度和分辨率。天文台。

在他们的新研究中，Yue 和 Eilers 在 JWST 上投入了大量时间，从 2022 年秋季到次年春季间歇性地观测了六个已知的古代类星体。该团队总共对这六个遥远天体进行了超过 120 小时的观测。

“类星体的亮度比其宿主星系高出几个数量级。而且之前的图像不够清晰，无法区分宿主星系及其所有​​恒星的样子，”岳说。 “现在，我们第一次能够通过非常仔细地模拟 JWST 的这些类星体的清晰图像来揭示这些恒星发出的光。”

轻平衡

研究小组评估了 JWST 收集的六个遥远类星体的成像数据，他们估计这些类星体的年龄约为 130 亿年。这些数据包括对每个类星体不同波长的光的测量。研究人员将这些数据输入到一个模型中，该模型显示有多少光可能来自紧凑的“点源”(例如中心黑洞的吸积盘)，而不是更分散的源(例如来自宿主星系周围分散恒星的光) 。

通过这种建模，研究小组将每个类星体的光分成两部分：来自中心黑洞发光盘的光和来自宿主星系更分散的恒星的光。来自两个光源的光量反映了它们的总质量。研究人员估计，对于这些类星体来说，中心黑洞的质量与宿主星系的质量之比约为1:10。他们意识到，这与今天 1:1,000 的质量平衡形成鲜明对比，在当今的质量平衡中，最近形成的黑洞与其宿主星系相比质量要小得多。

“这告诉我们一些关于什么首先生长的事情：是黑洞先生长，然后星系赶上来?还是星系及其恒星首先生长，并且它们主导和调节黑洞的生长?”艾勒斯解释道。 “我们看到早期宇宙中的黑洞似乎比它们的宿主星系生长得更快。这是初步证据，表明最初的黑洞种子当时可能质量更大。”

岳补充道：“一定有某种机制可以使黑洞在最初的十亿年里比其宿主星系更早获得质量。” “这是我们看到的第一个证据，这令人兴奋。”