早期宇宙黑洞成长中缺失的环节

周一 · 知古通今   |   周二 · 牧夫专栏 

 周三 · 风月同天  |   周四 · 观测指南  

 周五 · 深空探测  |  周六 · 茶余星话  |   周日 · 太空探索

原文链接：

https://subarutelescope.org/jp/results/2022/04/13/3049.html

以哥本哈根大学藤本征史研究员为首的国际研究小组用哈勃望远镜和昴星团望远镜，在距离地球约131亿光年的遥远宇宙中，发现了一个被尘埃覆盖的非常致密的天体。这个天体显示出了星系中急剧成长的黑洞的特征。这种在理论上被预测，却多年未被观测到的天体的发现，是揭开宇宙初期超大黑洞成长之谜的重要线索。   

图1：“GNz7q”(右侧放大图中心的红色天体)是在距离地球约131亿光年处发现的，在爆炸性恒星形成星系内部显示出急剧增长中的黑洞特征的天体。是在至今为止最常被研究的天区之一GOODS-North区域被发现的。图像颜色通过合成哈勃太空望远镜的3个波段的观测数据得来。（图片来源：NASA）

自人们在大爆炸后不久的早期宇宙发现了重达太阳数亿倍的超大黑洞以来，天文学家一直对一个问题感到困惑:在宇宙诞生后的短时间内，超大黑洞是如何诞生和成长的？从理论上讲，首先，在恒星大量形成的活跃星系（星暴星系）中，黑洞所在的中心区域被气体和尘埃覆盖，于是黑洞就会吞噬周围的物质，开始快速增长。在这一过程中，黑洞的吸积盘辐射出的强大能量将周围的气体和尘埃等遮蔽物吹散，最终超大黑洞及其吸积盘的身影将会显现。由于气体的摩擦而发光的吸积盘在观测上就会呈现为非常明亮的致密天体，我们称之为类星体。反过来如果我们观测到了类星体，就可以反推出其中黑洞的存在。

从观测上看，星暴星系和明亮的类星体是在大爆炸之后仅仅7 - 8亿年的宇宙中被发现的。但是，迄今为止还没有发现过渡期的天体，这是解开超大黑洞快速增长之谜的关键。 

研究团队通过重新分析哈勃太空望远镜的大量档案数据，发现了正是宇宙初期的缺失的环节——连接星暴星系和明亮的类星体的天体“GNz7q”。利用射电望远镜进行的光谱观测表明，GNz7q存在于宇宙大爆炸后仅7亿5000万年。  

“这个天体从X射线到无线电波的电磁波频谱的特性，与理论模拟的预测非常一致。也就是说，GNz7q是首次被观测到的，在这种宇宙初期的星暴星系中心快速成长的黑洞的例子。” 带领研究团队的藤本研究员说道，“GNz7q是在早期宇宙发现的超大黑洞的前身。” 

图2 超大黑洞前身的天体“GNz7q”想象图。在星暴星系中心，正在急剧成长的年轻黑洞，吹散笼罩在周围的浓密气体和尘埃，逐渐露出了原形。（图片来源：ESA/Hubble, N. Bartmann ）

GNz7q不仅是理解超大黑洞起源的重要天体，而且是在迄今为止研究得最透彻的天区之一GOODS-North区域(注1)发现的，这一点也令天文学家感到震惊。

 “ GNz7q的发现发生在最常被研究的区域中心，这表明大发现往往就隐藏在我们眼前。”分析哈勃太空望远镜数据的加布里埃尔·布拉马(哥本哈根大学)说道，“在GOODS-North这一很小的天区发现GNz7q，很难被认为是单纯的偶然，相反，这样的天体的出现率，可能比之前所认为的要高很多。”

 “ GNz7q的发现发生在最常被研究的区域中心，这表明大发现往往就隐藏在我们眼前。”分析哈勃太空望远镜数据的加布里埃尔·布拉马(哥本哈根大学)说道，“在GOODS-North这一很小的天区发现GNz7q，很难被认为是单纯的偶然，相反，这样的天体的出现率，可能比之前所认为的要高很多。”

 实际上GNz7q，虽然缺少通常用于识别宇宙初期的明亮的类星体的特征（宽发射线），但得益于GOODS-North天区迄今为止取得的独一无二的多波长数据, 从而被首次观测到(注2) 。研究团队今后将对类似的天体进行系统的探索，并利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的光谱装置对这些天体进行详细的研究。 

“詹姆斯·韦伯太空望远镜可以对GNz7q的黑洞、母星系的成长过程和物理性质进行更详细的研究。”藤本研究员这么说道， “另外，利用昴星团望远镜的超宽视场主焦点照相机Hyper Suprime-Cam的观测，也在宇宙初期发现了大量的类星体。ALMA望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜将会对它进行跟踪观测。组合了这些望远镜，通过多波长的详细的解析，像GNz7q一样的天体可能还会陆续被发现。也就是说，我们有望统计性地来研究急速成长的黑洞实际存在到何种程度，又是如何影响宇宙初期超大黑洞演化的。” 

（注1）：GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey)的观测数据来自于哈勃太空望远镜、赫歇尔太空望远镜、XMM-牛顿卫星、斯皮策空间望远镜、钱德拉x射线天文台卫星,以及昴星团望远镜等地面上的望远镜。包含南北两块天区 (GOODS-North、GOODS-South)。 

（注2 ）用昴星团望远镜的MOIRCS得到的Ks波段(2.15微米)的深场摄像数据，在GNz7q的光谱能量分布的分析中，对分离黑洞和宿主星暴星系的成分做出了贡献。 

（注3） 详细内容请看2019年3月13日夏威夷观测站的新闻稿《超远宇宙发现大量巨大黑洞》。在发表这一报告时，拥有巨大黑洞的星系数量为83个，但现在已经增加到100个以上。

该研究成果刊登在2022年4月13日的英国科学杂志《自然》上(Fujimoto et al.“A dusty, compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn”)。

这项研究是在以下机构的支持下进行的。 

The Danish National Research Foundation under grant number 140; the European Research Council (ERC) Consolidator Grant funding scheme (project ConTExt, grant number 648179); Independent Research Fund Denmark grants DFF-7014-00017 and DFF-8021-00130; the Villum Fonden research grant 37440, ‘The Hidden Cosmos’.

责任编辑：王雨阳

牧夫新媒体编辑部

葡萄牙上空的恒星与行星

影像提供与版权: Miguel Claro (TWAN, Dark Sky Alqueva)