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最大,最年轻,最远黑洞是天文学的一个难题

 博科园 2020-02-14

【博科园-科学科普】

(图1)图片版权:ESO/M. Kornmesser

(图1)这是一类星体279的印象艺术图。正如图所示,这个类星体的亮度超过10亿倍太阳,距离地球约50亿光年。更遥远的类星体已经被发现,但喷发它们的黑洞质量非常高,挑战了现在传统的宇宙观。

在宇宙的极端距离之外,可以找到第一个类星体。

(图2)ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

(图2)he0435 - 1223位于这幅广域图像的中心,是迄今为止发现的五种最佳透镜状类星体之一。前景星系在它周围形成了四个几乎均匀分布的遥远类星体图像。

年轻星系中心的超大质量黑洞通过强大的引力加速物质的速度,导致它们发射出射线。

(图3)NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

(图3)虽然遥远的类星体和活跃星系核的宿主星系通常可以在可见光/红外光下成像,但是喷射流本身和周围的辐射最好在x射线和无线电中看到,就像在这里展示的星系大力神A一样。

观察到的东西使我们能够重建中心黑洞的质量,并探索超遥远的宇宙。

(图4)Jinyi Yang, University of Arizona; Reidar Hahn, Fermilab; M. Newhouse NOAO/AURA/NSF

(图4)离我们越远,所看到的时间越接近大爆炸。最新的类星体记录来自宇宙仅有6.9亿年前的时代。

最近发现了一个新的黑洞J1342 + 0928,起源于131亿年前:当时宇宙年龄为6.9亿年,仅为当前年龄的5%。

(图5)NASA and J. Bahcall (IAS) (L); NASA, A. Martel (JHU), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA (R)

(图5)用人类最强大的望远镜,比如哈勃望远镜,先进的相机技术和成像技术使我们能够更好地探测和了解遥远类星体的物理和性质,包括它们的中心黑洞特性。

它的质量是太阳的8亿倍,这在宇宙早期是非常高的数字。

(图6)图片版权:欧空局/ ATG Medialab

(图6)这位艺术家的作品展示了一个星系被清除的星际气体,新恒星的组成部分。由中心黑洞驱动造成这一现象的原因,也可能是这个新发现的类星体背后的这个活跃的超遥远星系的核心。

即使这个黑洞是由最初的恒星形成的,它也必须以最大可能的速率(爱丁顿极限)生长,才能如此迅速地达到这个规模。

(图7)美国宇航局的戈达德太空飞行中心/ SDSS / S。Veilleux

(图7)活跃星系IRAS F11119 + 3257在近距离观察时的概念图,可能与主要合并相符的外流。超大质量黑洞只有在“开启”时才会被激活,解释了为什么我们可以看到这些超远距离的黑洞。

幸运的是,还有其他方法可以发展出一个超级黑洞。当发生新的恒星形成时,会形成大量大质量恒星。

(图8)NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)

(图8)来自哈勃望远镜的可见光/近红外照片显示了一颗大质量的恒星,大约是太阳质量的25倍,已经没有了超新星或其他解释。接崩塌是唯一合理的候选解释。

这些可以直接崩塌或超新星,造成大量的黑洞,然后合并和成长。

(图9)L. Mayer et al. (2014), via https:///abs/1411.5683

(图9)各种富含气体的过程(如星系合并)的模拟表明,应该可能形成直接塌陷的黑洞。直接崩溃,超新星,合并恒星和恒星残余物的组合可能会产生一个如此庞大的年轻黑洞。

在宇宙中,只有20个黑洞是诞生的如此之早。

(图10)图片版权:X射线:美国宇航局/ CXC /密歇根大学/ RCReis等; 光学:NASA / STScI

(图10)一个超遥远的类星体显示了其中心的一个超大质量黑洞的大量证据。这个黑洞如此迅速如此巨大是一个有争议的科学辩论的话题,但可能有一个符合我们标准理论的答案。

这是宇宙学的问题吗?未来更多更详细的数据将能揭示这些遥远的宇宙谜题!

知识:科学无国界,博科园-科学科普

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

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