迄今為止!最遙遠的類星體:以超大質量黑洞為星核的活躍星系

天文學家們發現了迄今為止

最遙遠的類星體

,與在這個距離上觀察到的其他類星體一樣,它同時展現了一個“巨大”的問題:在它存在的時空裡,該活動星系核的供能黑洞實在太大了。

迄今為止!最遙遠的類星體:以超大質量黑洞為星核的活躍星系

根據該類星體在宇宙空間中的位置將其命名為J031343。84?180636。4(以下簡稱為J0313)。它是透過泛星計劃觀測發現的一個天體。泛星計劃(Pan-STARRS),全稱全景巡天望遠鏡和快速反應系統,它使用1。8m望遠鏡採集星空深處的影象,透過不同濾鏡得到關於星空物體顏色的準確資訊。超遠距離的類星體在紅光範圍表現明亮,同時在藍光波長範圍內發出較少的光,這樣的特性使得他們在採集的群星影象中更容易被發現。

當J0313被發現時,透過更大的麥哲倫望遠鏡和雙子望遠鏡進行頻譜分析證實了其與地球之間的無限距離:

我們所接收到的從這個類星體發出的光穿越了至少

130

億年,意味著我們看到的是宇宙大爆炸後

6.7

億年的景象。

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圖解:類星體

J0313-1806

是迄今為止發現的最遙遠的類星體,它比整個銀河系要明亮

1000

倍,是我們的太陽的亮度的十萬億倍。圖為類星體活動系星核及周圍物質構成的示意圖。星核為超大質量黑洞,是太陽質量的

16

億倍。圍繞中心體轉動的周圍是由彌散物質組成的炙熱的吸積盤,發射著電磁能量。吸積盤外圍的風流時間緩慢,只有正常光速的

20%

。它附近的宿主星系經歷著劇烈的新生和重塑,比銀河系新生恆星的速度快

200

倍。圖源:

NOIRLab/NSF/AURA/J.da Silva

類星體是一類活動星系。每個巨大的星系的核心都有一個超大質量黑洞,有些黑洞仍在活躍地吞噬周圍的氣體、塵埃和星體。這些物質在其周圍形成巨大炙熱的吸積盤,發出強烈的光芒甚至讓剩下整個星系都黯然失色。

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圖解:黑洞系統示意圖。噴流來自於吸積盤。圖源:

sina

為了讓物質更加緊密(壓縮密度),吸積盤的磁場形成類似龍捲風的雙渦,將物質拉攏到黑洞附近然後爆裂噴射而出。當這些噴流恰好大致指向我們所在的空間,使得我們觀察到這個星系格外耀眼。這種類似恆星的天體就稱為類星體。

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圖解:一個被吸積盤和磁暈包圍的超大質量黑洞,向相反的方向發射強大的噴流。圖解

:NASA/CXC/M. Weiss

考慮到我們觀察到J0313在這樣遙遠的距離上依舊如此明亮,天文學家測量了它的總光度——提示它釋放出多少能量——是

太陽的

36

萬億倍

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這實在是太…。耀眼了!比我們的銀河亮足足3000倍!

那麼給這一切供能的超大黑洞的情況是怎樣的呢?麥哲倫望遠鏡對J0313進行的深光譜拍攝進一步揭示了這個黑洞的質量。圍繞著吸積盤旋轉的物質,有一部分正在向周圍逃逸,因此(根據多普勒效應),類星體發出的光線的光譜向紅光光譜方向移動,而向著我們擴散的部分則發生藍移。這種顏色的拖尾效應展現的總量可以用來確定黑洞的質量,科學家們得到的結果震撼人心:

這個黑洞的質量有太陽的

16

億倍。

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我們知道很多具有相似質量的黑洞,有些甚至更大,但都經歷了數十億年的時間擴充套件到那樣的大小。

目前所知的極限就是

J0313

類星體的黑洞,它年輕得只有

6.7

億年,卻是如何快速擴張到這個尺度的呢?

這是宇宙學中一個仍在探索的問題。我們見過其他大約也在此距離上的類星體,它們也擁有巨大的黑洞,這些黑洞比我們所能認知的在有限時間(就銀河系的存在長度而言)裡儘可能生長地大得多。

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圖解:超大質量黑洞周圍物質組成的吸積盤吹出的氣體風。圖源:

NASA/JPL-Caltech

問題是,黑洞吞噬物體的速度是有限的。物質首先在其周圍形成圓盤,這個吸積盤能量很高、極端炙熱,它發出的輻射擊中向黑洞墜落的物體然後朝周圍噴射。給定質量的黑洞吞噬物體的速度由其發射的輻射所平衡,這一特性被稱為愛丁頓極限。如果黑洞吸收速率過快,就是“自取滅亡”,失去它的“食物來源”。

這就意味著想要迅速變成一個超過太陽質量十億倍的黑洞是很困難的,儘管如此,天文學家們也試圖提出了一些可解釋的理論。也許小一點的黑洞(太陽質量的百千或千千倍)——

種子黑洞

——在星系新生初期迅速生長並融合,這樣的解釋為此現象提供了一定可能性,但這之後仍然需要黑洞不停地極速擴張。

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圖解:天鵝座

A

就是一個噴流的活躍星系核的例子,這兩束射線在此圖的

X

射線

(

藍色

)

、射電

(

紅色

)

和可見光

(

恆星

)

中清晰可見,噴射成數萬光年寬的巨大裂片。圖源:

X-ray:NASA/CXC/SAO; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/AUI/VLA

然而,這個過程具體是怎麼進行的尚不可知。我們對這個距離上的類星體掌握甚少(宇宙無垠,我們從未探測得如此深遠,而要從密集的星空影象中發現它們又絕非易事),但基於我們的有限認識,這些類星體都以生長著的巨大的黑洞為星核。值得注意的是我們不否認未知空間裡質量更小、能量更少的類星體的存在,但與此同時它們更加黯淡因而也更難被發現。即便我們找到了它們,證明了低質量黑洞可以形成,但眼下的“巨物”形成的原因卻仍是個謎。

圍繞著這個黑洞的星系在

以銀河系幾百倍的速度不斷爆裂出新星,我們稱這樣的星系為星暴星系

。這個現象配合大質量的黑洞具有一定合理性,周圍用於形成行星的物質充足,同時又能填飽中央核這個“吞吐的怪獸”。

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理解這一切非常重要。首先,我們知道星系和黑洞是同生共長的,因此理解了其中之一就意味著我們也能理解另一個。同時,這也能給我們探索關於宇宙鴻蒙時期一切是什麼模樣重要的提示資訊。此外,從這些距離上發出的光經過物體到達地球,也能多少讓我們瞭解到在這不那麼遙遠的宇宙之間的物質是如何對光的行為產生影響的。

現在我們已經知道J0313就在那裡,它將被作為一系列隨訪研究的主要目標,讓人們去試圖破解更多關於其存在的秘密。這些類星體揭示的問題,隨著我們對它們進一步的深入瞭解,答案終將浮出水面。

BY: Phil Plait

FY:短尾巴小狐狸

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