科学家探测到宇宙诞生初期类星体的寄主星系
2023-07-05 05:33:55 来源：光明日报
(资料图片仅供参考)
本报北京7月3日电（记者晋浩天）詹姆斯·韦布空间望远镜最新观测数据首次揭示宇宙大爆炸早期两颗快速增长的超大质量黑洞（类星体）所在寄主星系的星光。北京大学天文学家联合领导国际研究团队以《探测宇宙初期红移超过6的类星体寄主星系的星光》为题，于日前在《自然》杂志发布一项新成果，该研究表明这些超大黑洞的质量接近太阳的十亿倍，而寄主星系的质量几乎是前者的上百倍。该质量关系与来自临近星系的观测结果一致。
在遥远的宇宙中存在着超大质量黑洞，这一观测结果非但没有给天体物理学家提供揭秘宇宙的答案，反而引发了更多困惑。首先，在宇宙诞生之初，这些超大黑洞是如何在短时间内增长到如此巨大的？其次，更令人费解的是，近邻星系观测数据表明，超大黑洞与它们所在的寄主星系之间存在显著的质量相关性。然而星系和黑洞的尺寸差别很大，两者联系是如何建立的？是黑洞先演化还是星系先演化？这是一个宇宙尺度规模的“鸡生蛋还是蛋生鸡”问题。
研究团队由此开始通过詹姆斯·韦布空间望远镜探索这些问题。该望远镜于2021年12月发射，目的是观察宇宙早期阶段的寄主星系和黑洞，从而进一步探寻它们如何形成并相互联系的。在詹姆斯·韦布空间望远镜投入使用之前，哈勃空间望远镜最远观测到来自100亿年前的类星体寄主星系的星光。值得注意的是，当前的理论模型预测宇宙目前的年龄在138亿年左右。
詹姆斯·韦布空间望远镜在红外波段下的超强灵敏度和超清晰成像能力，使研究人员能够将这些研究追溯到类星体和星系首次形成的时期。该望远镜开展常规化运行仅几个月后，该研究团队观测了两颗类星体HSCJ2236+0032和HSCJ2255+0251，它们发出的光经过了130亿年左右的时间到达地球——这也意味着，“光”发生时，宇宙年龄大约在8.6亿年。
在精确图形建模并摘除类星体的闪耀光线后，寄主星系的图像清晰可见。团队使用该望远镜拍摄了光谱数据，并从中观察到寄主星系中恒星的特征谱线，进一步支持了类星体中寄主星系的存在。该研究还打破了类星体寄主星系星光探测的最远纪录。通过对寄主星系光度的分析，团队发现它们是非常庞大的星系，其恒星质量分别是太阳质量的1300亿和340亿倍。通过测量类星体周围湍流气体的速度，科学家推断，驱动类星体的黑洞同样巨大，它们的质量分别是太阳的14亿倍和2亿倍。“这些宇宙早期的黑洞与寄主星系的质量关系和近邻星系情况相似，这表明大爆炸后约8亿年内黑洞与寄主之间的质量关系便已建立。”团队成员丁旭恒说。
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JWST NIRCam 3.6μm 观测到的HSC J2236+0032 （Credit: Ding, Onoue, Silverman et al.），从左到右分别是JWST的类星体所在视场图、类星体图以及摘除类星体后呈现出的寄主星系图。 图像尺度比例以光年为单位显示于每个面板中（图片来自北京大学新闻网）
