詹姆斯·韦伯太空望远镜发现迄今为止最遥远的活动超大质量黑洞
据美国宇航局：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动超大质量黑洞。这个名为CEERS 1019的星系在宇宙大爆炸后仅存在了5.7亿年，它的黑洞比早期宇宙中已知的任何其他黑洞都要小。不仅如此，他们还轻而易举地“抖出”了另外两个黑洞，它们也位于较小的一侧，在大爆炸后存在了10亿年和11亿年。韦伯还发现了11个星系，它们存在于宇宙4.7亿至6.75亿年前。该证据是由奥斯汀德克萨斯大学的史蒂文·芬克尔斯坦领导的韦伯宇宙进化早期释放科学(CEERS)调查提供的。该计划结合了韦伯高度详细的近红外和中红外图像以及被称为光谱的数据，所有这些都被用于做出这些发现。
大约有100，000个星系出现在这张水平的拼接影像中。覆盖不是连续的，所以韦伯的图像之间的区域是黑色的。大约拍摄了20个正方形图像来形成这幅镶嵌图。深深凝视这广阔的风景。它是由詹姆斯·韦伯太空望远镜在近红外光下拍摄的多幅图像拼接而成的——它实际上正在随着活动而脉动。中间右侧是一簇明亮的白色螺旋星系，它们似乎正在相互缠绕。贯穿整个场景的是淡粉色的螺线，看起来像在风中旋转的风车。蓝色背景下明亮的前景恒星用韦伯突出的八角衍射尖峰宣布了自己的存在。不要错过一个非传统的景象:在最下面一行，找到右边第二个正方形。在它的右边，一个畸形的蓝色星系被蓝色和粉红色的闪亮星团包围着。致谢:美国航天局、欧空局、加空局、史蒂夫·芬克尔斯坦(德州大学奥斯汀分校)、米凯拉·巴格利(德州大学奥斯汀分校)、丽贝卡·拉森(德州大学奥斯汀分校)
CEERS 1019不仅因其存在时间之久而引人注目，也因其黑洞重量相对较小而引人注目。这个黑洞大约有900万个太阳质量，远远小于早期宇宙中存在的由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，而且它们更容易被探测到，因为它们更亮。(它们正在积极地“吃”物质，当它朝着黑洞旋转时会变亮。)CEERS 1019内部的黑洞更类似于我们银河系中心的黑洞，它的质量是太阳的460万倍。这个黑洞也不像以前探测到的更大的庞然大物那样明亮。虽然较小，但这个黑洞存在的时间要早得多，因此仍然很难解释它是如何在宇宙开始后这么快就形成的。研究人员很早就知道较小的黑洞肯定存在于宇宙的早期，但直到韦伯开始观察，他们才能够做出明确的探测。(CEERS 1019可能只能保持这一记录几周——关于韦伯发现的其他更遥远的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斥着精确的信息，使得这些确认很容易从数据中提取出来。“用这个望远镜观察这个遥远的物体很像是在观察来自我们银河系附近的黑洞的数据，”领导这项发现的德克萨斯大学奥斯汀分校的丽贝卡·拉森说。“这么多谱线要分析！”该团队不仅可以解开光谱中哪些发射来自黑洞，哪些来自其宿主星系，他们还可以查明黑洞摄入了多少气体，并确定其星系的恒星形成率。
该团队发现这个星系正在尽可能多地吸收气体，同时也在制造新的恒星。他们转向这些图像，探究这可能是为什么。从视觉上看，CEERS 1019看起来是三个明亮的团块，而不是一个单一的圆盘。“我们不习惯在这么远的距离上看到这么多的图像结构，”来自纽约罗切斯特理工学院的CEERS团队成员Jeyhan Kartaltepe说。“星系合并可能是助长该星系黑洞活动的部分原因，这也可能导致恒星形成增加。”
这张图显示了宇宙中目前已知的最遥远的活跃超大质量黑洞的探测结果。它们被太空和地面上的一系列望远镜所识别。最近在詹姆斯·韦伯太空望远镜的宇宙进化早期释放科学(CEERS)调查中发现了三个。鸣谢:美国航天局、欧空局、加空局、Leah Hustak(STScI)
CEERS的调查范围很广，还有很多需要探索的地方。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。第一个在CEERS 2782星系内，最容易辨认。没有任何灰尘模糊了韦伯对它的看法，因此研究人员可以立即确定它的黑洞在宇宙历史上的存在时间——仅在大爆炸后11亿年。第二个黑洞位于CEERS 746星系，存在时间稍早，在大爆炸后10亿年。它明亮的吸积盘是一个由气体和尘埃组成的环，围绕着它的超大质量黑洞，仍然部分被尘埃遮蔽。“中央黑洞是可见的，但尘埃的存在表明它可能位于一个也在疯狂涌出恒星的星系中，”科切夫斯基解释道。
与CEERS 1019中的黑洞一样，这两个黑洞也是“轻量级”的——至少与这些距离上先前已知的超大质量黑洞相比是这样的。它们的质量大约只有太阳的一千万倍。“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。“现在我们认为低质量黑洞可能到处都是，等待被发现。”在韦伯之前，所有三个黑洞都太暗而无法被探测到。“使用其他望远镜，这些目标看起来像普通的恒星形成星系，而不是活跃的超大质量黑洞，”芬克尔斯坦补充道。
韦伯的敏感光谱也让这些研究人员能够测量早期宇宙中星系的精确距离，从而确定它们的年龄。国家科学基金会NOIRLab的巴勃罗·阿拉巴尔·哈罗和德克萨斯大学奥斯汀分校的藤本诚治团队成员确定了大爆炸后4.7亿至6.75亿年间存在的11个星系。不仅它们非常遥远，如此多的明亮星系被探测到的事实也是引人注目的。研究人员推测，韦伯能够探测到的星系比在这些距离上发现的要少。“韦伯返回的遥远星系的高度详细的光谱数量让我不知所措，”阿拉巴尔·哈罗说。“这些数据绝对令人难以置信。”
这些星系正在迅速形成恒星，但化学成分还没有离家近得多的星系丰富。“韦伯是第一个探测到这些星系的人，”藤本解释道。“这一组，以及我们将来可能识别的其他遥远星系，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，”他补充道。
这些只是CEERS调查的第一批突破性发现。“到目前为止，关于早期宇宙中物体的研究主要是理论性的，”芬克尔斯坦说。“有了韦伯，我们不仅可以在极远的地方看到黑洞和星系，我们现在还可以开始精确地测量它们。这就是这台望远镜的巨大威力。”在未来，韦伯的数据可能还会被用来解释早期黑洞是如何形成的，修正研究人员关于黑洞在宇宙历史的最初几亿年中如何成长和演化的模型。
天体物理学杂志Letters已经接受了几篇关于CEERS调查数据的初步论文:“CEERS在大爆炸后发现了一个吸积的超大质量黑洞570 Myr:确定了一个z> 6的大质量类星体的祖先”，由Larson领导，“隐藏的小怪物:对z> 5的低质量宽线AGN的光谱识别”，由Kocevski领导，“在z≃8−10对CEERS NIRCam选择的星系的光谱确认”，由Arrabal Haro领导，以及“CEERS对NIRCam选择的z≳ 8星系候选者的光谱确认”
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系的谜团，探索其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。Webb是由NASA及其合作伙伴ESA(欧洲航天局)和加拿大航天局领导的一项国际计划。
