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天文学家揭示了迄今为止观测到的最遥远的超大质量黑洞

时间:2018-05-15  点击: 27

艺术家关于迄今为止发现的距离最远的超大质量黑洞的概念,这是来自690年的类星体的一部分在大爆炸之后的几百万年。它被中性氢包围着,这表明它是在宇宙第一个光源开启的时候被称为再电离时代的时期。图片来源:Robin Dienel(由卡内基科学研究所提供)

包括麻省理工学院两位天文学家在内的一组天文学家发现了迄今为止观测到的最远的超大质量黑洞。黑洞位于一个超亮类星体的中心,其中的光线在宇宙大爆炸发生后仅仅六亿九千万年。这光已经花费了大约130亿年的时间来到达我们 - 这个时间跨度几乎等于宇宙的年龄。

据测算,黑洞的质量约为我们太阳的8亿倍 - 现代标准的巨人和早期宇宙中的相对异常。

“这是我们从这个时代观察到的唯一对象,”麻省理工学院Kavli天体物理学和空间研究所的弗朗西斯弗里德曼物理学教授Robert Simcoe说。 “它的质量非常高,但宇宙如此年轻以至于这个东西不应该存在。宇宙的年龄不足以形成一个巨大的黑洞。这非常令人费解。“

增加黑洞的阴谋是它形成的环境:科学家们已经推断,黑洞的形成正如宇宙正在发生根本性转变,从由中性氢主导的不透明环境变成了第一颗恒星开始眨眼。随着更多的恒星和星系形成,它们最终产生足够的辐射以将氢从中性(氢的电子与其核结合的状态)中的氢发生电离,其中电子随意自由地重组。这种从中性到氢化的转变代表了宇宙中一个根本性的变化,一直持续到今天。

该团队认为,新发现的黑洞存在于大约半中性,半电离的环境中。

Simcoe说:“我们发现宇宙大约是50/50,这是第一个星系从中性天然气茧中出现并开始出射的时刻。 “这是当时最准确的衡量标准,也是第一批明星何时开启的真实标志。”

Simcoe和博士后Monica L. Turner是麻省理工学院的合着者,详细介绍了结果,今天发表在“自然&科学”(Nature em)杂志上。其他主要作者来自加利福尼亚州帕萨迪纳的卡内基科学研究所。

艺术家关于迄今为止发现的距离最远的超大质量黑洞的概念,这是来自690年的类星体的一部分在大爆炸之后的几百万年。它被中性氢包围着,这表明它是在宇宙第一个光源开启的时候被称为再电离时代的时期。图片来源:Robin Dienel(由卡内基科学研究所提供)

高速转变

卡内基的天文学家EduardoBañados发现了黑洞,他在发现了这个物体的同时,全天空调查或遥远宇宙的地图。 Bañados特别关注类星体 - 宇宙中一些最明亮的物体,包括一个超大质量黑洞,周围是旋转的物质,积聚物质。

在确定了几个感兴趣的物体之后,Bañados使用称为FIRE(Folded-port InfraRed Echellette)的仪器将焦点集中在这些物体上,该仪器由Simcoe制造,并在智利的6.5米直径麦哲伦望远镜上运行。 FIRE是一种光谱仪,它根据红外光谱对物体进行分类。随着宇宙的膨胀,来自遥远的早期宇宙物体的光线在穿越宇宙的旅途中向着更红的波长移动。天文学家把这种多普勒现象称为“红移”;一个物体越远,光线越向光谱的红色端或红外端移动。在空间和时间上,物体的红移越高,距离越远。

使用FIRE,团队将Bañados的一个物体识别为红移7.5的类星体,这意味着物体在大爆炸后大约6.9亿年后发光。基于类星体的红移,研究人员计算了其中心的黑洞质量,并确定其大约是太阳质量的8亿倍。

Simcoe说:“某些类星体正在导致类星体中的气体以非常高的速度移动,而我们所知道的达到这种速度的唯一现象是围绕超大质量黑洞轨道运行。”

当第一批明星打开时

新发现的类星体似乎在宇宙历史的关键时刻居住。宇宙大爆炸之后,宇宙就像是一颗热量极其充沛的粒子的宇宙汤。随着宇宙迅速膨胀,这些粒子在一个有时被称为黑暗时代的时代冷却并聚结成中性氢气,这个时代被称为黑暗时代 - 一段时期内没有任何光源。最终,重力将物质凝聚成第一颗恒星和星系,从而产生光子形式的光。随着更多的恒星在整个宇宙中开启,它们的光子与中性氢发生反应,电离气体并引发所谓的重离子化时代。

Simcoe,Bañados和他们的同事认为,这个新发现的类星体存在于这个基本过渡阶段,就在宇宙正在经历其最丰富元素的急剧转变时。

研究人员使用FIRE来确定类星体周围的大部分氢是中性的。他们从中推断,估计整个宇宙在观测类星体时可能大约有一半中性和一半电离。因此,他们推断,在宇宙大爆炸后的六亿九千万年中,恒星一定已经开始发射。

“这增加了我们对整个宇宙的理解,因为我们已经确定了宇宙正处在从中性到离子化这种非常快速过渡的时刻,”Simcoe说。 “我们现在有了迄今为止最精确的测量数据,当第一批恒星开启时。”

还有一个很大的谜团仍有待解决:这么大比例的黑洞是如何在宇宙历史的早期形成的?人们认为黑洞是通过增加或吸收周围环境的质量而增长的。非常大的黑洞,比如Simcoe和他的同事们发现的黑洞,应该会形成超过6.9亿年的时间。

Simcoe说:“如果你从一颗巨星开始,让它以最大可能的速度增长,并且在宇宙大爆炸的那一刻开始,那么你永远无法制造出8亿个太阳质量的东西 - 这是不现实的。 “所以必须有另一种方式来形成。而且,究竟发生了什么,没有人知道。“

这项研究得到了美国国家科学基金会(NSF)的支持,部分得到了NSF以及Curtis和Kathleen Marble施工FIRE的支持。

出版物:EduardoBañados等人,“在红移7.5的显着中性宇宙中的一个8亿个太阳质量的黑洞”,Nature,2017; DOI:10.1038 / nature25180

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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