天文学家探测到有史以来最古老的黑洞

研究人员发现了有史以来观测到的最古老的黑洞，可追溯到宇宙诞生之初，并发现它正在“吞噬”其宿主星系直至死亡。

由剑桥大学领导的国际小组使用美国国家航空航天局/欧空局/加空局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)探测了这个黑洞，该黑洞可追溯到130多亿年前大爆炸后的4亿年。该研究的主要作者罗伯托·马约里诺教授表示，这些结果是“一个巨大的飞跃”，并发表在该杂志上自然.

这个质量惊人的黑洞是我们太阳质量的几百万倍，它在宇宙中如此早就存在，这挑战了我们关于黑洞如何形成和增长的假设。天文学家认为，在银河系等星系中心发现的超大质量黑洞在数十亿年间增长到目前的大小。但是这个新发现的黑洞的大小表明，它们可能以其他方式形成:它们可能“生来就大”，或者它们可以以比以前认为可能的速度高五倍的速度吞噬物质。

根据标准模型，超大质量黑洞是由死亡恒星的残余物形成的，这些恒星坍塌后可能形成一个质量约为太阳100倍的黑洞。如果它以预期的方式增长，这个新发现的黑洞将需要大约10亿年才能增长到观察到的大小。然而，当这个黑洞被探测到时，宇宙还不到10亿岁。

剑桥卡文迪许实验室和卡维利宇宙学研究所的迈奥利诺说:“在宇宙中看到如此巨大的黑洞还为时过早，所以我们必须考虑它们可能形成的其他方式。”“非常早期的星系富含气体，因此它们就像黑洞的自助餐。“

像所有黑洞一样，这个年轻的黑洞正在吞噬其宿主星系的物质以促进其增长。然而，人们发现这个古老的黑洞在后来的时代比它的兄弟姐妹更强烈地吞噬物质。

年轻的宿主星系被称为GN-z11，从其中心的一个高能黑洞中发出光芒。黑洞不能被直接观察到，而是通过在黑洞边缘附近形成的旋转吸积盘的发光来探测。吸积盘中的气体变得非常热，开始发光并辐射紫外线范围内的能量。这种强烈的辉光是天文学家能够探测黑洞的原因。

GN-z11是一个致密星系，比银河系小约100倍，但黑洞很可能会损害它的发展。当黑洞消耗过多气体时，它会像超高速风一样将气体推开。这种“风”可能会停止恒星形成的过程，慢慢杀死银河系，但它也会杀死黑洞本身，因为它还会切断黑洞的“食物”来源。

马约里诺说，JWST带来的巨大飞跃使这成为他职业生涯中最激动人心的时刻。他说:“这是一个新时代:灵敏度的巨大飞跃，特别是在红外线方面，就像一夜之间从伽利略的望远镜升级到现代望远镜。”“在韦伯上线之前，我想也许当你超越我们用哈勃太空望远镜所能看到的范围时，宇宙就没那么有趣了。但事实完全不是这样:宇宙已经非常慷慨地向我们展示了它所展示的一切，而这只是一个开始。”

Maiolino说，JWST的敏感性意味着在未来的几个月和几年里甚至可能会发现更古老的黑洞。马约里诺和他的团队希望利用未来在JWST的观测来寻找更小的黑洞“种子”，这可能有助于他们理清黑洞可能形成的不同方式:它们是开始时很大还是快速增长。

这项研究得到了欧洲研究委员会、英国皇家学会和英国研究与创新机构(UKRI)下属的科技设施委员会(STFC)的部分支持。

来源: Materials provided by University of Cambridge. The original text of this story is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
注明: Content may be edited for style and length. Related Multimedia: The GN-z11 galaxy, taken by the Hubble Space Telescope Journal Reference: Roberto Maiolino, Jan Scholtz, Joris Witstok, Stefano Carniani, Francesco D’Eugenio, Anna de Graaff, Hannah Übler, Sandro Tacchella, Emma Curtis-Lake, Santiago Arribas, Andrew Bunker, Stéphane Charlot, Jacopo Chevallard, Mirko Curti, Tobias J. Looser, Michael V. Maseda, Tim Rawle, Bruno Rodríguez Del Pino, Chris J. Willott, Eiichi Egami, Daniel Eisenstein, Kevin Hainline, Brant Robertson, Christina C. Williams, Christopher N. A. Willmer, William M. Baker, Kristan Boyett, Christa DeCoursey, Andrew C. Fabian, Jakob M. Helton, Zhiyuan Ji, Gareth C. Jones, Nimisha Kumari, Nicolas Laporte, Erica Nelson, Michele Perna, Lester Sandles, Irene Shivaei, Fengwu Sun. A small and vigorous black hole in the early Universe. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07052-5