詹姆斯·韋伯太空望遠鏡探測到迄今為止最遙遠的活躍超大質量黑洞
研究人員利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現了迄今為止最遙遠的活躍超大質量黑洞。這個名為CEERS 1019的星系在大爆炸後5.7億年多一點就存在了，它的黑洞比早期宇宙中發現的任何黑洞都要小。不僅如此，他們還輕鬆地“抖出”了另外兩個黑洞，它們也位於較小的一側，存在於大爆炸後的10億年和11億年。
韋伯還發現了11個星系，它們存在於宇宙誕生4.7億到6.75億年前。這一證據是由德克薩斯大學奧斯汀分校的史蒂芬·芬克爾斯坦領導的韋伯宇宙演化早期發布科學（CEERS）調查提供。該項目結合了韋伯非常詳細的近紅外和中紅外圖像以及被稱為光譜的數據，所有這些都被用於做出這些發現。
深深地凝視著這廣闊的風景。它是由詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在近紅外光下拍攝的多幅圖像拼接而成，而且實際上它正在活躍地跳動。在中心的右邊是一團明亮的白色螺旋星系，它們似乎正在相互扭曲。貫穿整個場景的是淺粉色的螺旋星系，看起來像風車在風中旋轉。明亮的前景恆星，以藍色為背景，以韋布突出的八尖衍射尖峰宣布自己的存在。不要錯過一個不尋常的景象：在最下面一排，從最右邊數第二個正方形。在它的右邊緣，一個畸形的藍色星係被藍色和粉紅色的閃亮星團包圍著。
影像來源：NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin)
CEERS 1019不僅因其存在的時間久遠而引人注目，而且其黑洞的質量相對較小。這個黑洞的質量約為900萬太陽質量，遠遠小於早期宇宙中存在的由其他望遠鏡探測到的其他黑洞。這些龐然大物的質量通常是太陽的10億倍以上，而且它們更容易被探測到，因為它們更亮。（它們在積極地“吃掉”物質，當物質旋轉到黑洞時，物質就會發光。）CEERS 1019中的黑洞與我們銀河系中心的黑洞更相似，後者的質量是太陽的460萬倍。這個黑洞也沒有之前探測到的更大質量的更大的黑洞那麼亮。雖然這個黑洞更小，但它存在的時間要早得多，所以很難解釋它是如何在宇宙開始後這麼快就形成。研究人員早就知道，宇宙早期一定存在較小的黑洞，但直到韋伯開始觀察，他們才能夠做出明確的探測。（CEERS 1019可能只會保持這一記錄幾個星期——於韋伯發現的其他更遙遠黑洞的說法目前正在被天文學界仔細審查。）
韋伯的數據實際上充斥著精確的信息，使得這些確認很容易從數據中提取出來。“用這台望遠鏡觀察這個遙遠的物體，就像觀察我們附近星系中存在的黑洞的數據一樣。”領導這項發現的德克薩斯大學奧斯汀分校的麗貝卡·拉森說。“有這麼多譜線要分析！”研究團隊不僅可以解開光譜中哪些發射來自黑洞，哪些來自其宿主星系，他們還可以確定黑洞吸收了多少氣體，並確定其星系的恆星形成率。
研究團隊發現，這個星系在吸收盡可能多的氣體的同時，也在產生新的恆星。他們通過圖片來探究其中的原因。從視覺上看，CEERS 1019看起來是三個明亮的團塊，而不是一個單一的吸積盤。“我們不習慣在這麼遠的距離看到這麼多的圖像結構。”CEERS團隊成員、紐約羅切斯特理工學院的傑汗·卡爾塔特普說。“星系合併可能是推動這個星系黑洞活動的部分原因，這也可能導致恆星形成增加。”
這張圖顯示了目前宇宙中已知的最遙遠的活動超大質量黑洞的探測結果。它們是由太空和地面上的一系列望遠鏡所發現。最近，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的宇宙演化宇宙演化早期發布科學（CEERS）調查發現了其中三顆。
影像來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
更遙遠的黑洞，星系撞擊現場
CEERS調查範圍很廣，還有很多需要探索的地方。緬因州沃特維爾科爾比學院的團隊成員戴爾·科切夫斯基和團隊很快在數據中發現了另一對小黑洞。第一個在CEERS 2782星系內，最容易辨認。沒有任何塵埃遮擋韋伯的視野，因此研究人員可以立即確定它的黑洞在宇宙歷史上的存在時間——存在於大爆炸11億年後。第二個黑洞位於CEERS 746星系，存在時間稍早，存在於大爆炸後10億年。它明亮的吸積盤，它明亮的吸積盤，一個由氣體和塵埃組成的環，圍繞著它的超大質量黑洞，部分仍然被塵埃籠罩。科切夫斯基解釋道：“中心黑洞是可見的，但塵埃的存在表明，它可能位於一個也在瘋狂地釋放恆星的星系內。”
與CEERS 1019中的黑洞一樣，這兩個黑洞也是“輕量級”——至少與這些距離上先前已知的超大質量黑洞相比是這樣。它們的質量只有太陽的1,000萬倍。“研究人員早就知道早期宇宙中一定存在質量較低的黑洞。韋伯是第一個能如此清晰地捕捉到它們的天文台。”科切夫斯基補充道。“現在我們認為低質量黑洞可能到處都是，等待被發現。”在韋伯之前，所有三個黑洞都太暗而無法被探測到。“使用其他望遠鏡，這些目標看起來像普通的恆星形成星系，而不是活躍的超大質量黑洞。”芬克爾斯坦補充道。
韋伯靈敏的光譜也讓這些研究人員能夠測量早期宇宙中星系的精確距離，從而確定它們的年齡。研究團隊成員、美國國家科學基金會NOIRLab的巴勃羅·阿拉巴爾·哈羅和德克薩斯大學奧斯汀分校的藤本誠治確定了11個在大爆炸後4.7億到6.75億年間存在的星系。它們不僅非常遙遠，而且如此多的明亮星係被探測到也是值得注意的。研究人員推測，韋伯望遠鏡能探測到的星係比目前在這些距離上發現的要少。“被韋伯發回的遙遠星系的大量非常詳細的光譜所震撼”阿拉巴爾·哈羅說。“這些數據絕對令人難以置信。”
這些只是CEERS調查的首批突破性發現。“到目前為止，對早期宇宙中物體的研究主要是理論性的研究。”芬克爾斯坦說。“有了韋伯，我們不僅可以看到極端距離的黑洞和星系，我們現在可以開始精確地測量它們。這就是這台望遠鏡的巨大威力。”在未來，韋伯的數據也可能被用來解釋早期黑洞是如何形成，修正研究人員關於黑洞在宇宙歷史的最初幾億年中如何生長和演化的模型。
《天體物理雜誌快報》已經接受了幾篇關於CEERS調查數據的初步論文：由拉森領導的《A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang: Identifying a Progenitor of Massive z > 6 Quasars》；由科切夫斯基領導的《Hidden Little Monsters: Spectroscopic Identification of Low-Mass, Broad-Line AGN at z > 5 with CEERS》；由阿拉巴爾·哈羅領導的《Spectroscopic confirmation of CEERS NIRCam-selected galaxies at z≃8−10》以及由藤本誠治領導的《CEERS Spectroscopic Confirmation of NIRCam-Selected z ≳ 8 Galaxy Candidates with JWST/NIRSpec: Initial Characterization of their Properties》。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界上首屈一指的太空科學天文台。韋伯將解開我們太陽系中的謎團，展望其他恆星周圍的遙遠世界，探索我們宇宙的神秘結構和起源以及我們在其中的位置。韋伯是由NASA及其合作夥伴ESA和CSA領導的一項國際計劃。
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