詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）發現了帶有大質量黑洞的早期星系，挑戰了傳統的星系形成理論，提出了黑洞和恆星同步發展的觀點，這一發現可能會重塑我們對宇宙演化的認識。長期以來，天文學家們一直在尋求對早期宇宙的了解，多虧了詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST），拼圖的關鍵部分才得以顯現。

恆星形成率和黑洞增長隨著紅移的減小而發生的轉變，從正回饋占主導地位的時期到後期反饋基本上為負的時期

這架望遠鏡的紅外線探測”眼睛”發現了一系列紅色小點，它們被確認為宇宙中最早形成的星系。

這項驚人的發現不僅僅是一個視覺奇蹟，它也是一個線索，可以揭開星系及其神秘黑洞如何開始宇宙之旅的秘密。

“詹姆斯-韋伯的驚人發現是，宇宙中不僅有這些非常緊湊的紅外線明亮天體，而且它們很可能是已經存在巨大黑洞的區域，”JILA 研究員、科羅拉多大學博爾德分校天文物理學教授米奇-貝格爾曼解釋。”這被認為是不可能的”。

貝格爾曼和包括約翰-霍普金斯大學天文學教授喬-希爾克在內的其他天文學家組成的研究小組在《天體物理學雜誌通訊》上發表了他們的發現，認為需要新的星系生成理論來解釋這些巨大黑洞的存在。這項可能具有開創性的研究的第一作者西爾克闡述說：”需要一些新的東西來協調星系形成理論與新數據之間的關係。”

星系形成的傳統故事

天文學家以前在思考星係是如何形成的時候，曾假定星係是一種有序的演化過程。傳統理論認為，星係是在數十億年的時間裡逐漸形成的。在這個緩慢的宇宙演化過程中，恆星被認為首先出現，照亮了原始的黑暗。

貝格爾曼補充說：”我們的想法是，從早期的恆星到星系真正成為以恆星為主的星系。然後，在這個過程的末期開始形成這些黑洞。”

這些神秘而強大的超大質量黑洞被認為出現在第一批恆星之後，靜靜地生長在銀河系的核心。它們被視為調節器，偶爾會突然爆發，以抑制新恆星的形成，從而維持銀河系的平衡。

挑戰傳統智慧

由於JWST 對”小紅點”的觀測，研究人員發現宇宙中最早的星係比預期的要明亮，因為許多星系顯示恆星與被稱為類星體的中心黑洞共存。

“類星體是宇宙中最亮的天體，」西爾克解釋。”它們是氣體吸積到星系核中的大質量黑洞上的產物，產生巨大的光度，比它們的宿主星系還要耀眼。它們就像布穀鳥巢中的怪獸。”

看到恆星與黑洞共存，研究人員很快就意識到，傳統的星系形成理論肯定有缺陷。貝格爾曼說：”[這些新數據]看起來[過程]是相反的，這些黑洞與第一批恆星一起形成，然後星系的其他部分隨之形成。”我們的意思是說，黑洞的生長一開始會促進恆星的生長。只有到了後來，當條件改變時，它才會轉變為關閉恆星的模式。”

從這項提議的新過程中，研究人員發現恆星形成和黑洞形成之間的關係似乎比預期的更密切，因為兩者最初都透過一種被稱為正回饋的過程放大了對方的成長。

希爾克說：”恆星的形成加速了大質量黑洞的形成，反之亦然，暴力、誕生和死亡之間的相互作用密不可分，這是星系形成的新航標。”

然後，經過將近10 億年的時間，孕育巨星的星系變得具有壓制性，耗盡了星系中的氣體庫，熄滅了恆星的形成。這種”負回饋”是由於能量守恆的外流–強大的風把氣體趕出了星系，使它們失去了創造新恆星所需的物質。

新銀河系時間軸

有了黑洞哺育行為的啟示，研究人員為早期星系形成過程中從正回饋到負回饋的轉變提出了一個新的時間表。透過觀察這些”小紅點”發出的不同光譜和化學特徵，研究人員認為這種轉變發生在大約130億年前，即宇宙大爆炸後10億年，天文學家將這一時期歸類為”z ≈6″。

確定這一過渡紀元有助於天文學家瞄準宇宙歷史上的特定時期進行觀測。它可以指導未來的觀測策略，利用JWST 等望遠鏡更有效地研究早期宇宙。此外，透過了解這項轉變發生的時間，天文學家可以更好地理解現代星系的特徵，包括大小、形狀、恆星組成和活動水平。

驗證新工藝

為了驗證恆星和黑洞之間協同形成星系的新理論，並進一步深入了解其中的過程，需要進行電腦模擬。

貝格爾曼說：”這需要一些時間。目前的電腦模擬相當原始，你需要高解析度來了解一切。這需要大量的運算能力，而且價格昂貴。”

在此之前，天文學界還可以採取其他措施來審查和驗證這個新理論。

下一步的工作將是改進觀測。JWST研究最遙遠星系光譜的全部能力將在未來幾年內釋放出來。貝格爾曼和西爾克都對他們領域的其他成員採用他們提出的想法表示樂觀。

貝格爾曼補充說：『據我所知，我們是第一個朝著這個極端方向前進的人。多年來，我和我的合作者們一直在研究黑洞的形成問題。但JWST 讓我們看到，我們還沒有跳出框框。”

編譯自: ScitechDaily