韦伯探测到迄今为止最遥远的活跃超大质量黑洞

这是一笔财富：宇宙中绝对充满了黑洞。研究人员早就知道这一点，但早期宇宙中存在的质量较小的黑洞太暗而无法探测到——直到詹姆斯·韦伯太空望远镜开始进行观测。宇宙演化早期发布科学(CEERS)调查背后的研究人员是第一批开始从韦伯高度详细的图像和数据中提取这些明亮、极其遥远的物体的人之一。

首先：迄今为止发现的最遥远的活跃超大质量黑洞——距大爆炸仅5.7亿年。它的侧面较小，更类似于我们银河系中心的超大质量黑洞的质量，而不是我们之前用其他望远镜看到的巨大“怪物”。

CEERS研究人员还在早期宇宙中发现了另外两个小黑洞，以及近十几个极其遥远的星系。这些初步发现表明，质量较小的黑洞和星系在早期宇宙中可能比之前证实的更为常见。

研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了迄今为止最遥远的活跃超大质量黑洞。CEERS1019星系在大爆炸后仅存在了5.7亿年，其黑洞的质量比早期宇宙中已发现的任何其他黑洞都要小。不仅如此，它们还轻松地“震出了”另外两个同样位于较小一侧的黑洞，它们存在于大爆炸后的1亿年和11亿年。

韦伯还确定了宇宙470至6.75亿年前存在的11个星系。这些证据是由德克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂文·芬克尔斯坦领导的韦伯宇宙演化早期发布科学(CEERS)调查提供的。该程序结合了韦伯高度详细的近红外和中红外图像以及光谱数据，所有这些数据都用于做出这些发现。

CEERS1019之所以引人注目，不仅因为它存在的时间久远，还因为它的黑洞重量相对较小。这个黑洞的质量约为900万太阳质量，远低于早期宇宙中也存在并被其他望远镜探测到的其他黑洞。这些庞然大物的质量通常超过太阳的10亿倍，而且它们更容易被发现，因为它们更亮。(它们正在积极地“吃掉”物质，物质在向黑洞旋转时会发光。)

CEERS1019内的黑洞与我们银河系中心的黑洞更相似，其质量是太阳的460万倍。这个黑洞也不像之前检测到的质量更大的庞然大物那么明亮。尽管较小，但这个黑洞存在的时间太早了，以至于仍然很难解释它是如何在宇宙开始后这么快就形成的。

研究人员早就知道，较小的黑洞一定在宇宙的早期就已经存在，但直到韦伯开始观察，他们才能够做出明确的探测。(CEERS1019可能只会保持这一记录几周——有关韦伯发现的其他更遥远黑洞的说法目前正在由天文学界仔细审查。)

韦伯的数据实际上充满了精确的信息，使得这些确认很容易从数据中提取出来。“用这台望远镜观察这个遥远的物体很像观察我们附近星系中黑洞的数据，”领导这项发现的德克萨斯大学奥斯汀分校的丽贝卡·拉尔森说。“有这么多谱线需要分析!”

该图显示了目前已知的宇宙中最遥远的活跃超大质量黑洞的探测结果。它们是通过太空和地面上的一系列望远镜识别出来的。詹姆斯·韦伯太空望远镜的宇宙演化早期发布科学(CEERS)调查最近发现了其中的三个。图片来源：NASA、ESA、CSA、LeahHustak(STScI)从太空望远镜科学研究所下载全分辨率、未压缩版本和支持视觉效果。

研究小组不仅可以弄清楚光谱中哪些发射来自黑洞，哪些发射来自其宿主星系，他们还可以查明黑洞正在吸收多少气体，并确定其星系的恒星形成率。

研究小组发现这个星系正在吸收尽可能多的气体，同时也产生新的恒星。他们通过图像来探究其中的原因。从视觉上看，CEERS1019显示为三个明亮的团块，而不是单个圆盘。纽约罗切斯特理工学院的CEERS团队成员JeyhanKartaltepe表示：“我们不习惯在这么远的距离看到如此多的图像结构。”

“星系合并可能在一定程度上加剧了该星系黑洞的活动，这也可能导致恒星形成的增加。”

更遥远的黑洞、星系登场

CEERS调查范围广泛，还有更多值得探索的内容。缅因州沃特维尔科尔比学院的团队成员戴尔·科切夫斯基和团队很快在数据中发现了另一对小黑洞。第一个位于星系CEERS2782内，最容易辨认出来。没有任何尘埃遮挡韦伯对它的观察，因此研究人员可以立即确定它的黑洞在宇宙历史上何时存在——仅在大爆炸后11亿年。

第二个黑洞位于星系CEERS746中，存在时间稍早一些，即大爆炸后10亿年。它明亮的吸积盘是一个由气体和尘埃组成的环，环绕着它的超大质量黑洞，但仍然部分被尘埃覆盖。科切夫斯基解释说：“中心黑洞是可见的，但尘埃的存在表明它可能位于一个也在猛烈地喷出恒星的星系内。”

与CEERS1019中的黑洞一样，这两个黑洞也是“轻量级”的——至少与之前已知的在这些距离上的超大质量黑洞相比是这样。它们的质量大约只有太阳的1000万倍。“研究人员早就知道早期宇宙中一定存在质量较低的黑洞。韦伯是第一个能够如此清晰地捕捉到它们的天文台，”科切夫斯基补充道。“现在我们认为质量较低的黑洞可能遍布各处，等待被发现。”

在韦伯之前，这三个黑洞都太微弱而无法被探测到。芬克尔斯坦补充说：“使用其他望远镜，这些目标看起来就像普通的恒星形成星系，而不是活跃的超大质量黑洞。”

韦伯的敏感光谱还使这些研究人员能够测量早期宇宙中星系的精确距离，从而测量其年龄。NSFNOIRLab的团队成员PabloArrabalHaro和德克萨斯大学奥斯汀分校的SeijiFujimoto确定了大爆炸后470至6.75亿年中存在的11个星系。它们不仅极其遥远，而且检测到如此多的明亮星系这一事实也值得注意。

研究人员推测，韦伯探测到的星系比在这些距离发现的要少。阿拉巴尔·哈罗说：“韦伯返回的大量远程星系的详细光谱让我不知所措。”“这些数据绝对令人难以置信。”

这些星系正在迅速形成恒星，但化学成分尚未像离家较近的星系那样丰富。“韦伯是第一个发现其中一些星系的人，”藤本解释道。他补充说：“这个星系，以及我们未来可能发现的其他遥远星系，可能会改变我们对整个宇宙历史中恒星形成和星系演化的理解。”

这些只是CEERS调查的第一个突破性发现。“到目前为止，对早期宇宙物体的研究主要是理论上的，”芬克尔斯坦说。“有了韦伯，我们不仅可以看到极远距离的黑洞和星系，现在还可以开始精确测量它们。这就是这台望远镜的巨大力量。”

未来，韦伯的数据也有可能被用来解释早期黑洞是如何形成的，从而修正研究人员关于黑洞在宇宙历史的最初几亿年中如何生长和演化的模型。

多篇有关CEERS巡天数据的论文已被《天体物理学杂志快报》接收。它们目前可在arXiv预印本服务器上使用。