天文学家发现古老孤独的类星体其起源不明

类星体是星系中极其明亮的核心，其中心有一个活跃的超大质量黑洞。当黑洞吸入周围的气体和尘埃时，它会释放出巨大的能量，使类星体成为宇宙中最明亮的物体之一。早在宇宙大爆炸后几亿年，人们就观测到了类星体，这些物体如何在如此短的宇宙时间内变得如此明亮和巨大，这一直是个谜。

科学家们提出，最早的类星体起源于原始物质密度过高的区域，这些区域也会在类星体的环境中产生许多较小的星系。但在麻省理工学院领导的一项新研究中，天文学家观察到一些古老的类星体，它们似乎在早期宇宙中出奇地孤独。

天文学家利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 回溯到 130 多亿年前，研究了五个已知古老类星体的宇宙环境。他们发现类星体的邻近区域或“类星体场”呈现出令人惊讶的多样性。正如所有模型所预测的那样，一些类星体位于非常拥挤的场中，周围有 50 多个邻近星系，而其余类星体似乎在空洞中漂移，附近只有几个游离星系。

这些孤独的类星体对物理学家的理解提出了挑战：如此明亮的物体如何在宇宙早期就形成，并且没有周围物质的大量来源来推动其黑洞的生长。

“与之前的看法相反，我们发现，这些类星体平均而言并不一定位于早期宇宙中密度最高的区域。其中一些似乎位于茫茫宇宙之中，”麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯 (Anna-Christina Eilers) 说道。“如果这些类星体似乎没有任何物质可以吸收，那么很难解释它们如何能够长得如此之大。”

这些类星体可能并不像看上去那么孤单，而是被尘埃覆盖的星系所包围，因此无法被观测到。艾勒斯和她的同事希望调整他们的观测，试图看透这些宇宙尘埃，以了解类星体在早期宇宙中如何如此迅速地长大。

艾勒斯和她的同事在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文中报告了他们的发现。麻省理工学院的合著者包括博士后罗汉·奈杜和岳明浩;弗朗西斯·弗里德曼物理学教授兼麻省理工学院卡夫利天体物理和空间研究所所长罗伯特·西姆科;以及来自莱顿大学、加州大学圣巴巴拉分校、苏黎世联邦理工学院等机构的合作者。

银河系邻居

这五个新观测到的类星体是迄今为止观测到的最古老的类星体之一。这些天体已有 130 多亿年历史，被认为是在宇宙大爆炸后 6 亿至 7 亿年之间形成的。为类星体提供能量的超大质量黑洞比太阳大 10 亿倍，亮度是太阳的 1 万亿倍。由于它们极高的亮度，每个类星体发出的光都能传播超过宇宙的年龄，足以到达 JWST 如今高度灵敏的探测器。

“我们现在拥有一台可以如此详细地捕捉 130 亿年前光线的望远镜，这真是太神奇了，”艾勒斯说。“詹姆斯·韦伯太空望远镜首次让我们能够观察这些类星体的环境、它们成长的地方以及它们的周围环境。”

研究小组分析了詹姆斯·韦伯太空望远镜在 2022 年 8 月至 2023 年 6 月期间拍摄的五个古老类星体的图像。对每个类星体的观测都包含多个“马赛克”图像，即类星体场的部分视图，研究小组将这些图像有效地拼接在一起，形成了每个类星体周围区域的完整图像。

该望远镜还测量了每个类星体场内多种波长的光，然后研究小组对其进行了处理，以确定场中的特定物体是否来自邻近星系的光，以及星系与亮度更高的中心类星体的距离。

“我们发现这五个类星体之间的唯一区别在于它们的环境看起来非常不同，”艾勒斯说。“例如，一个类星体周围有近 50 个星系，而另一个只有两个。而且这两个类星体的大小、体积、亮度和宇宙时间都相同。这真是令人惊讶。”

快速成长

类星体场的差异使黑洞成长和星系形成的标准图景出现扭曲。根据物理学家对宇宙中第一批物体如何出现的最佳理解，宇宙暗物质网应该决定了进程。暗物质是一种尚未知晓的物质形式，除了通过引力之外，它与周围环境没有其他相互作用。

大爆炸后不久，早期宇宙被认为形成了暗物质丝，它们充当着一种引力通道，吸引着气体和尘埃沿着它的卷须移动。在这个网络过于密集的区域，物质会聚集起来形成更大的物体。而最明亮、最重的早期物体，如类星体，会形成在网络密度最高的区域，这些区域也会产生更多、更小的星系。

“暗物质宇宙网是我们宇宙学模型的可靠预测，可以用数值模拟来详细描述，”论文合著者、莱顿大学研究生 Elia Pizzati 说道。“通过将我们的观测结果与这些模拟结果进行比较，我们可以确定类星体在宇宙网中的位置。”

科学家估计，类星体必须以非常高的吸积率不断生长，才能达到天文学家观测到的当时的极端质量和亮度，即大爆炸后不到 10 亿年。

“我们试图回答的主要问题是，在宇宙还非常非常年轻的时候，这些数十亿个太阳质量的黑洞是如何形成的?它还处于起步阶段，”艾勒斯说。

研究小组的发现可能引发的问题比答案更多。这些“孤独”的类星体似乎位于相对空旷的太空区域。如果物理学家的宇宙学模型是正确的，这些贫瘠的区域意味着极少的暗物质，或形成恒星和星系的起始材料。那么，极其明亮和巨大的类星体是如何形成的呢?

“我们的研究结果表明，这些超大质量黑洞如何成长的谜题中仍然缺少一个重要的部分，”艾勒斯说。“如果周围没有足够的物质让一些类星体能够持续成长，那就意味着它们一定有其他成长方式，而我们还没有弄清楚。”