韦布空间望远镜探测到超预期的黑洞数量

来源：中国科学报
时间：2023-08-07 15:39:37

去年8月，美国科尔比学院天体物理学家Dale Kocevski在预印本服务器arXiv上公布了一篇论文，其中包含了一些关于詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）在一次宇宙观测中发现的黑洞的初步数据。这篇文章现在已经正式发表了，但它并没有预测到JWST会给神秘的天体带来革命性的见解。

(资料图片)

在那篇论文公布几周后，发现黑洞的大门开启了。随后的几个月，一系列论文公布于预印本服务器，宣布在遥远的宇宙中存在着比天文学家想象中更多的黑洞。

就在今年8月2日，一篇论文又报道了十几个新发现的黑洞。JWST凭借前所未有的能力发现了大量的此类天体——从许多昏暗、遥远的黑洞到少数明亮、更遥远的黑洞。

JWST的黑洞研究仍处于早期阶段，天文学家表示，还有很多问题有待解决。但已经很清楚的是，它的发现可以帮助科学家回答许多长期以来关于黑洞的疑问，比如它们是如何在宇宙历史的早期形成，并迅速成长为宇宙真空，吸收周围的一切。

黑洞有好几种大小，但JWST探测到的是质量是太阳数百万到数十亿倍的巨大黑洞。天文学家不确定这些黑洞是如何形成的，但它可能涉及到大质量恒星或气体云的坍塌，以及吸引其附近的气体和尘埃。在这种情况下，这些黑洞的“种子”会迅速生长，直到它们变成潜伏在大多数星系中心的引力“无底洞”。

黑洞本身是不可见的ーー它们巨大的引力意味着即使是光也无法从其中逃脱。但寻找围绕黑洞旋转的过热气体就能发现黑洞，这些气体就像水从排水管中流出一样。在JWST之前，天文学家利用一系列空间和地面望远镜研究黑洞。但是它们只能发现最亮的黑洞，包括那些相对靠近地球的黑洞。JWST则被设计用于观测来自遥远宇宙的光，以及更遥远的黑洞，包括那些天文学家认为太暗而无法探测到的黑洞。

宇宙中的距离可以用、被称为红移的量来测量——物体的红移越高，它就越遥远，在宇宙历史上出现的时间也就越早。JWST新发现的许多黑洞的红移在4到6之间，这相当于宇宙大约10亿到15亿年的时间。

瑞士联邦理工学院天体物理学家Jorryt Matthee说，在JWST的图像中，这些微弱的黑洞看起来像小而不起眼的斑点，但“它们与周围的星系明显不同”。

到目前为止，JWST在这些红移处发现的微弱黑洞数量大约是之前已知黑洞数量的10倍。

JWST 还发现了几个有史以来最遥远的黑洞。记录保持者位于一个已经被充分研究的星系GN-z11的中心，该星系的红移为10.6。这表明，早在宇宙大爆炸4亿年后，黑洞的种子就已经形成，并能够创造出超大质量的天体。英国剑桥大学天体物理学家Hannah übler说，即将进行的观测将要探索GN-z11周围过热气体流动的细节，这可能会揭示黑洞如何影响其周围的空间。

JWST还在CEERS 1019星系中发现了一个红移为8.7的疑似黑洞。在宇宙形成的最初5.7亿年里，该黑洞以某种方式积累了太阳质量的900万倍。

意大利罗马大学天体物理学家Raffaella Schneider说，JWST的发现符合最近对早期黑洞诞生的模拟。她和同事发现，如果巨大黑洞在早期阶段以极高速度吞噬气体，它们就可以在早期宇宙中形成。根据理论，这将违反黑洞生长的最大速率。但JWST的观测表明，一些黑洞，比如GN-z11中的黑洞，可能会以这种方式生长。

相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.01230

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