詹姆斯韦伯太空望远镜在早期宇宙中发现了巨大的黑洞广达杂志

几年前她甚至确信 詹姆斯韦伯太空望远镜 将成功发射， 克里斯蒂娜·艾勒斯 开始为专门研究早期宇宙的天文学家筹划一次会议。 她知道，如果——最好是当——JWST 开始进行观测时，她和她的同事们将会有很多话题可以讨论。 就像一台时间机器一样，这台望远镜比以前的任何仪器都能看到更远、更远的过去。

对于艾勒斯（以及天文学界的其他人）来说幸运的是，她的计划并非徒劳：JWST 顺利发射和部署，然后开始从一百万英里外的太空中认真审视早期宇宙。

150 月中旬，约 XNUMX 名天文学家齐聚麻省理工学院，参加艾勒斯 JWST“第一缕光”会议。 距离 JWST 还不到一年 开始发送图像 回到地球。 正如艾勒斯所预料的那样，这台望远镜已经重塑了天文学家对宇宙最初十亿年的理解。

一组神秘的物体在无数的展示中脱颖而出。 一些天文学家称它们为“隐藏的小怪物”。 对于其他人来说，它们是“小红点”。 但无论它们的名字是什么，数据都很清楚：当 JWST 凝视年轻的星系（它们在黑暗中看起来只是红色斑点）时，它看到数量惊人的旋风在其中心翻腾。

“似乎有大量我们不知道的来源，”麻省理工学院的天文学家艾勒斯说，“我们根本没有预料到会发现它们。”

近几个月来，对宇宙污点的大量观测让天文学家既高兴又困惑。

“每个人都在谈论这些小红点，”说 范晓辉亚利桑那大学的一名研究人员，他的职业生涯一直在寻找早期宇宙中的遥远物体。

对于龙卷风般的星系最直接的解释是，重达数百万个太阳的大型黑洞正在将气体云吹得疯狂。 这一发现既在意料之中，又令人困惑。 这是预料之中的，因为 JWST 的建造部分是为了寻找古代物体。 它们是数十亿个太阳的巨型黑洞的祖先，这些黑洞似乎莫名其妙地很早就出现在宇宙记录中。 通过研究这些前身黑洞，例如今年发现的三个创纪录的年轻黑洞，科学家们希望了解第一个巨大黑洞的来源，并或许确定两种相互竞争的理论中哪一种更能描述它们的形成：它们是否生长得极其迅速，或者他们只是生来就大吗？ 然而，这些观测结果也令人困惑，因为很少有天文学家预计 JWST 会发现如此多年轻、饥饿的黑洞——而调查却发现了数十个这样的黑洞。 在试图解开这个谜团的过程中，天文学家发现了一大群巨大的黑洞，它们可能会改写恒星、星系等的既定理论。

“作为一名理论家，我必须构建一个宇宙，”他说 玛尔塔·沃隆泰里是巴黎天体物理研究所专门研究黑洞的天体物理学家。 沃隆泰里和她的同事现在正在应对早期宇宙中巨大黑洞的涌入。 “如果它们是[真实的]，它们就会彻底改变画面。”

宇宙时间机器

詹姆斯韦伯太空望远镜的观测震动了天文学，部分原因是该望远镜比任何早期的机器都能探测到从更深的太空到达地球的光线。

“我们用了 20 多年的时间建造了这台极其强大的望远镜，”说 格兰特·特伦布莱哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家。 “它的全部意义最初是为了深入研究宇宙时间。”

该任务的目标之一是捕捉宇宙最初 13.8 亿年（在其大约 XNUMX 亿年的历史中）形成过程中的星系。 望远镜去年夏天的初步观测 暗示着一个年轻的宇宙 充满了惊人成熟的星系，但天文学家从这些图像中所能获取的信息是有限的。 为了真正了解早期宇宙，天文学家需要的不仅仅是图像；还需要更多的信息。 他们渴望获得这些星系的光谱——望远镜将入射光分解成特定色调时获得的数据。

詹姆斯韦伯太空望远镜于去年底开始认真发回的银河光谱有两个有用的原因。

首先，他们让天文学家确定了星系的年龄。 詹姆斯韦伯太空望远镜收集的红外光会变红或红移，这意味着当它穿过宇宙时，其波长会因空间的膨胀而被拉伸。 红移的程度让天文学家可以确定星系的距离，从而确定它最初发射光的时间。 附近星系的红移几乎为零。 JWST 可以轻松辨认出红移超过 5 的天体，这相当于大爆炸后大约 1 亿年。 红移较高的天体明显更古老且距离更远。

其次，光谱让天文学家了解星系中正在发生的事情。 每种色调都标志着光子和特定原子（或分子）之间的相互作用。 一种颜色源自氢原子在碰撞后稳定下来时的闪烁； 另一个表示被推挤的氧原子，另一个表示氮原子。 光谱是一种颜色模式，揭示了星系的构成以及这些元素的作用，而 JWST 正在为前所未有的距离的星系提供重要的背景。

“我们已经取得了如此巨大的飞跃，”说 阿尤什·萨克塞纳，牛津大学天文学家。 “我们正在谈论红移 9 星系的化学成分，这一事实绝对是非凡的。”

（红移 9 的距离令人难以置信，相当于宇宙只有 0.55 亿年的年龄。）

星系光谱也是寻找原子主要扰动因素的完美工具：潜伏在星系中心的巨大黑洞。 黑洞本身是黑暗的，但当它们以气体和尘埃为食时，它们会将原子撕裂，使它们发出明显的颜色。 早在 JWST 发射之前，天体物理学家就希望这台望远镜能够帮助他们发现这些模式，并找到足够多的早期宇宙最大、最活跃的黑洞，以解开它们如何形成的谜团。

太大、太早

这个谜团始于 20 多年前，当时由 Fan 领导的团队发现了其中一个 最遥远的星系 曾经被观测到过——一个明亮的类星体，或者一个锚定在一个活跃的超大质量黑洞上的星系，其重量可能有数十亿个太阳。 它的红移为 5，相当于大爆炸后约 1.1 亿年。 随着天空的进一步扫描，范和他的同事们不断打破自己的记录，将类星体红移前沿推至 6在2001 并最终 7.6在2021 ——大爆炸后仅 0.7 亿年。

问题是，在宇宙历史的早期，制造如此巨大的黑洞似乎是不可能的。

与任何物体一样，黑洞的生长和形成也需要时间。 就像一个 6 英尺高的幼儿一样，范的超大黑洞对于他们的年龄来说太大了——宇宙的年龄还不足以让他们积累数十亿个太阳的重量。 为了解释这些过大的幼儿，物理学家被迫考虑两种令人厌恶的选择。

首先，范氏星系一开始就充满了标准的、质量大约为恒星质量的黑洞，就像超新星经常留下的那样。 然后，它们通过合并和吞噬周围的气体和尘埃而生长。 通常情况下，如果黑洞的攻击力足够大，大量的辐射就会将其碎片推开。 这会阻止黑洞的疯狂进食，并设定黑洞生长的速度极限，科学家称之为爱丁顿极限。 但这是一个软天花板：可以想象，持续不断的尘埃可以克服辐射的影响。 然而，很难想象维持这种“超级爱丁顿”的增长足够长的时间来解释范的野兽——它们必须以难以想象的速度增长。

或者黑洞可能生来就大得令人难以置信。 早期宇宙中的气体云可能直接塌缩成质量为数千个太阳的黑洞，从而产生称为重种子的物体。 这种情况也令人难以接受，因为如此大的块状气体云在形成黑洞之前应该会破裂成恒星。

詹姆斯韦伯太空望远镜的首要任务之一是通过回顾过去并捕捉范氏星系较暗的祖先来评估这两种情况。 这些前体并不完全是类星体，而是具有较小黑洞的星系，正在成为类星体。 通过 JWST，科学家们有最好的机会发现刚刚开始生长的黑洞——这些物体足够年轻、足够小，研究人员可以确定它们的出生重量。

这就是科尔比学院戴尔·科切夫斯基领导的宇宙演化早期发布科学调查（CEERS）天文学家小组在圣诞节后几天第一次注意到此类年轻黑洞出现的迹象时开始加班的原因之一。

“这样的数量令人印象深刻，”写道 杰伊汉·卡尔塔尔特佩罗切斯特理工学院的天文学家在 Slack 上进行讨论。

“很多隐藏的小怪物，”科切夫斯基回答道。

越来越多的怪物

在 CEERS 光谱中，一些星系立即跳出来，它们可能隐藏着婴儿黑洞——小怪物。 与它们更普通的兄弟姐妹不同，这些星系发出的光不会只带有一种清晰的氢阴影。 相反，氢线被涂抹或加宽为一系列色调，这表明当轨道气体云加速向 JWST 方向加速时，一些光波被压扁（就像一辆接近的救护车在其警报器的声波被压缩时发出上升的哀号），而其他光波则被压缩。当云彩飞散时，波浪被拉长。 科切夫斯基和他的同事们知道，黑洞几乎是唯一能够像这样抛射氢的物体。

科切夫斯基说：“要看到围绕黑洞运行的气体的广泛成分，唯一的方法就是直接观察星系的桶体并直接进入黑洞。”

到 185 月底，CEERS 团队已经成功编写了一份预印本，描述了他们所说的两个“隐藏的小怪物”。 然后，该小组开始系统地研究他们的计划收集的数百个星系中的更广泛区域，以了解那里到底有多少黑洞。 但几周后，他们就被东京大学的 Yuichi Harikane 领导的另一个团队抢先了。 Harikane 的团队搜索了 XNUMX 个最遥远的 CEERS 星系， 找到 10 具有宽阔的氢谱线——红移在 4 到 7 之间的百万太阳质量中心黑洞可能的作用。然后在 XNUMX 月，对另外两项调查进行了分析 乔里特·马蒂 瑞士苏黎世联邦理工学院的教授还确定了另外 20 个“小红点” 具有宽氢线：黑洞围绕红移 5 进行分析 八月初发布 宣布了另外十几个公司，其中一些甚至可能正在通过合并实现增长。

“我等待这些事情已经很久了，”沃隆泰里说。 “这太不可思议了。”

但很少有天文学家预料到拥有大型活跃黑洞的星系数量如此之多。 《JWST》第一年观测中的小类星体数量比科学家根据 成年类星体普查 ——丰富 10 倍到 100 倍。

“对于天文学家来说，我们的偏差达到一个数量级甚至更多，这是令人惊讶的，”小红点论文的贡献者艾勒斯说。

美国国家科学基金会 NOIR 实验室的天文学家、这篇小怪兽论文的合著者斯蒂芬妮·朱诺 (Stéphanie Juneau) 说：“总感觉这些处于高红移的类星体只是冰山一角。” “我们可能会发现，在下面，这个[较微弱的]种群甚至比普通的冰山还要大。”

这两个去差不多11

但天文学家知道，要一睹这些猛兽的婴儿期，他们必须将红移远远超出 5，并更深入地研究宇宙的第一个十亿年。 最近，几个团队发现黑洞正在以前所未有的距离进食。

三月，CEERS 分析由 丽贝卡·拉森德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家在星系中发现了一条红移为 8.7 的宽氢线（大爆炸后 0.57 亿年），创下了迄今为止发现的最遥远的活跃黑洞的新记录。

但几个月后，天文学家与 JADES（JWST 高级深河外巡天）合作获得了 GN-z11 的光谱后，拉尔森的记录就被打破了。 在红移 10.6 时，GN-z11 处于哈勃太空望远镜视野中最微弱的边缘，科学家们渴望用更敏锐的眼睛来研究它。 到 10 月份，JWST 已经花了 11 多个小时观测 GN-zXNUMX，研究人员立即看出这个星系是一个奇怪的星系。 其丰富的 氮 说“完全不正常” 扬·肖尔茨，剑桥大学 JADES 成员。 在一个年轻的星系中看到如此多的氮就像遇到一个有五点钟阴影的六岁孩子，尤其是当氮与星系中微薄的氧储存相比时，氧是恒星应该首先组装的更简单的原子。

JADES 合作在 16 月初又进行了大约 11 个小时的 JWST 观测。 额外的数据使光谱变得更加清晰，揭示了两种可见的氮色调极其不均匀——一种明亮，一种微弱。 研究小组表示，这种模式表明 GN-zXNUMX 充满了密集的气体云，这些气体云集中在 可怕的引力.

“就在那时我们意识到我们正在凝视黑洞的吸积盘，”肖尔茨说。 这种偶然的排列解释了为什么遥远的星系足够明亮，足以让哈勃首先看到。

天体物理学家希望像 GN-z11 这样极其年轻、饥饿的黑洞能够解决范氏类星体形成的难题。 但事实证明，即使是最高级的 GN-z11 也不够年轻或小到足以让研究人员最终确定其出生质量。

“我们需要开始探测红移质量远高于 11 的黑洞质量，”肖尔茨说。 “我不知道一年前我会这么说，但我们现在就在这里。”

一丝沉重

在那之前，天文学家正在采取更微妙的技巧来寻找和研究新生黑洞，例如打电话给朋友或另一台旗舰太空望远镜寻求帮助。

2022 年初，Volonteri、Tremblay 和他们的合作者开始定期将 NASA 钱德拉 X 射线天文台指向一个他们知道将出现在 JWST 候选名单上的星系团。 该簇的作用就像一个透镜。 它弯曲时空结构并放大其后面更遥远的星系。 研究小组想看看这些背景星系中是否有任何一个正在喷出X射线，这是贪婪黑洞的传统名片。

在一年的时间里，钱德拉盯着宇宙透镜两周——这是迄今为止最长的观测活动之一——并收集了来自一个名为 UHZ19 的星系的 1 个 X 射线光子， 红移10.1。 这 19 个高辛烷值光子很可能来自于大爆炸后不到 XNUMX 亿年的不断增长的黑洞，使其成为迄今为止探测到的最遥远的 X 射线源。

通过结合 JWST 和钱德拉的数据，该小组学到了一些奇怪的东西，而且信息丰富。 在大多数现代星系中，几乎所有质量都在恒星中，只有不到百分之一左右的质量在中心黑洞中。 但在 UHZ1 中，质量似乎均匀地分布在恒星和黑洞之间——这并不是天文学家所期望的超级爱丁顿吸积的模式。

更合理的解释是 团队建议是UHZ1的中心黑洞诞生于巨大的云团塌陷成一个巨大的黑洞时，只留下很少的气体来形成恒星。 特伦布莱说，这些观察结果“可能与重种子一致”。 “一想到这些巨大的、巨大的气球就崩塌了，真是太疯狂了。”

这是一个黑洞宇宙

随着研究通过同行评审，过去几个月疯狂的光谱争夺中的一些具体发现必然会发生变化。 但笼统的结论——年轻的宇宙极快地产生了许多巨大的、活跃的黑洞——很可能会继续存在。 毕竟，范氏的类星体一定来自某个地方。

“每个物体的确切数量和细节仍然不确定，但非常令人信服的是，我们正在发现大量的吸积黑洞，”艾勒斯说。 “JWST 首次揭示了它们，这非常令人兴奋。”

对于黑洞专家来说，这是一个酝酿多年的启示。 最近的研究 混乱的青少年星系 现代宇宙中的现象暗示年轻星系中活跃的黑洞被忽视了。 理论学家们一直在苦苦挣扎，因为他们的数字模型不断产生的宇宙中黑洞数量远远多于天文学家在真实宇宙中看到的黑洞数量。

“我总是说我的理论是错误的，而观察是正确的，所以我需要修正我的理论，”沃隆泰里说。 然而，也许这种差异并不表明该理论存在问题。 “也许这些小红点没有被考虑在内，”她说。

现在，事实证明，炽热的黑洞不仅仅是成熟宇宙中的宇宙客串，天体物理学家想知道，以更丰富的理论角色重新塑造这些物体是否可以缓解其他一些令人头痛的问题。

在研究了 JWST 的一些第一批图像后，一些天文学家很快指出，某些 星系 考虑到他们还年轻，这一切似乎沉重得令人难以置信。 但至少在某些情况下，明亮得令人眼花缭乱的黑洞可能会导致研究人员高估周围恒星的重量。

另一个可能需要调整的理论是星系产生恒星的速率，在星系模拟中该速率往往过高。 科切夫斯基推测，许多星系都会经历一个隐藏的怪物阶段，导致恒星形成速度减慢。 它们一开始被包裹在造星尘埃中，然后它们的黑洞变得强大到足以将恒星物质分散到宇宙中，从而减缓恒星的形成。 “我们可能正在考虑这种情况，”他说。

当天文学家揭开早期宇宙的面纱时，学术预感多于具体答案。 尽管 JWST 已经改变了天文学家对活跃黑洞的看法，但研究人员知道，与即将发生的事情相比，今年望远镜所揭示的宇宙小插曲只是轶事。 JADES 和 CEERS 等观测活动发现，数十个可能的黑洞在大约满月十分之一大小的天空中凝视着它们。 还有更多的小黑洞等待着望远镜及其天文学家的关注。

“所有这些进展都是在前 12 到 10 个月内取得的，”萨克塞纳说。 “现在我们拥有未来九年或十年的 [JWST]。”