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迄今质量最大类星体现身 宇宙早期的它或将改写黑洞形成理论

2020-07-06 16:24:35 来源:科技日报

  实习生 雷浩然  科技日报记者 张 晔

  天闻频道

  类星体是宇宙中最明亮的天体,其中心黑洞疯狂吞噬周围物质而发出极强的光芒。通过长期的观测研究,天文学家确定早期宇宙的类星体中含有超大质量黑洞。但这些黑洞是如何在宇宙诞生不久就“成长”为超大质量黑洞,一直是一个有争议的热门课题。

  近日,美国亚利桑那大学史都华天文台的天文学家发现了早期宇宙中质量最大的类星体,其拥有着一个15亿倍太阳质量的黑洞,相关研究结果已发表在《天体物理学》杂志上。据悉,这个新发现的类星体被正式命名为J1007+2115,它是已知距离我们最远的也是最老的类星体之一。

  早期宇宙中的超大质量黑洞困扰天文学家

  类星体是目前已知宇宙中最活跃的天体之一,也是人类观测到的最遥远的天体。“根据目前的理论,类星体由超大质量黑洞驱动。在黑洞吞噬尘埃、气体甚至整个恒星等周围物质的过程中,大量的引力能被释放出来,部分引力能转化为辅射,从而导致类星体的亮度可以超过整个宿主星系。”中国科学院紫金山天文台教授刘四明表示。

  J1007+2115的红移数据显示,其发出的光线经过130.2亿年的“长途跋涉”才最终到达地球。这就意味着,它至少在宇宙大爆炸后7亿年前就已存在。

  “宇宙一直处于膨胀的过程中,故而距离我们越远的天体,其形成的时间越早。新发现类星体的光谱分析,可以用来估计驱动其发光的黑洞质量。”刘四明介绍道,“由于膨胀宇宙中的光子红移现象,距离我们越远的天体,其产生的光子在被我们探测到时波长也越长。远处天体的辐射功率可以由观测到的辐射强度和距离得到,辐射功率越大,黑洞的质量也越大。”

  如此古老且质量巨大的类星体,为研究人员提供了一个难得的研究机会,或许能够解答一个长期困扰天文学家的问题——为何宇宙早期能够形成超大质量黑洞?

  对此,曾有天文学家推测,宇宙中那些古老的超大质量黑洞可能形成于早期宇宙中的超大质量恒星。理论上来说,与黑洞的缓慢“成长”不同,恒星在形成时能以更快地速度获取质量,所以在早期宇宙中大质量恒星更容易形成。当这些巨大的恒星坍缩时,便形成了一个古老且质量巨大的黑洞。不过,截至目前,天文学家并未在早期宇宙中发现这样的超大质量恒星,这一理论还有待进一步的验证。

  新发现或动摇黑洞是恒星死亡产物理论

  古老的类星体对研究早期宇宙至关重要。

  根据目前的宇宙模型,早期的宇宙是一团“高度均匀的火球”,充满着氢与氦。随着宇宙不断膨胀,宇宙的温度逐渐降低,使得原本的电离气体变成了中性气体而失去了发光的能力,宇宙逐渐冷却并进入“黑暗时代”。但是这些冷却的气体在空间中并不是绝对均匀分布的,气体较为密集的区域,最终在引力的作用下坍缩形成了第一代恒星。第一代恒星和星系的出现花了大约3亿至4亿年的时间,使得宇宙开始逐渐升温。

  可见第一代恒星和星系的形成都是如此“费时费力”。

  “目前主流的理论认为,黑洞是在恒星死亡时产生的,而类星体又是由超大质量黑洞驱动的。故而古老类星体的存在可以限制宇宙中第一代恒星的最晚形成时间,并帮助我们了解随后的黑洞成长过程。”刘四明介绍道,“换句话说,类星体出现得越早,对现有主流宇宙模型以及人们对黑洞产生和生长过程的认识挑战也越大。”

  “出现非常古老而巨大的黑洞可能会动摇目前‘黑洞是恒星死亡产物’的理论。因为从几十个太阳质量的黑洞成长成15亿个太阳质量的黑洞需要很长的时间。”刘四明解释道,“这可能会促使我们更新对早期宇宙的认识。”

编辑:李学平

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