透過類星體窺早期宇宙：從黑暗到再電離時期，超大質量黑洞如何推波助瀾？

更多可能擁有噴流的超大質量黑洞的發現引出了一個問題：這些黑洞是怎樣在短時間內變得如此巨大的？一張早期宇宙中的超大質量黑洞圖片

天文學家們發現了一個由超大質量黑洞驅動的類星體，它可能對早期宇宙“點亮燈光”起到了助力作用。

NASA的Nu-STAR （核光譜望遠鏡陣列）X射線空間望遠鏡觀測到了這個類星體劇烈的明滅變化現象。該觀測結果與NASA的錢德拉X射線空間望遠鏡對相應正在捕獲物質的超大質量黑洞觀測數據相吻合。

這個新發現有助于解釋在遙遠的過去，早期宇宙的“黑暗年代”是如何畫上句號，而諸多黑洞的質量是如何迅速增長到數百萬乃至數十億倍于太陽的。

理論上講，超級黑洞是通過合并較小黑洞和吞噬大量氣體塵埃成長得巨大如斯的，而問題在于該進程應當至少需要十億年方能完成。這意味著在大爆炸之后一百萬年內便已存在的超大質量黑洞向天文學家們拋出了一個令他們冥思苦想的難題。

神秘的螺旋星系噴流讓天文學家們困惑：“我起初以為我完全搞錯了。”

首個被拍攝到的超大質量黑洞噴射出意料之外的伽馬射線暴

目前，一個編號為CFHQS J142952+54471(J1429+5447)]的類星體的相關研究正在展開。它距離地球如此遙遠，以至于其光線傳播到地球需要接近130億年。這讓它正巧呈現出身處那個宇宙早期“難題時代”尾聲時的樣貌。

“研究中，我們發現這個類星體的噴流很可能直指地球——而我們也從中窺見了它在宇宙創生十億年時的樣貌。”研究團隊帶頭人、耶魯大學研究員Lea Marcotulli在一篇報告中寫道。

這一時間線意味著這個預估約2億倍太陽質量的超級黑洞正處于名為“再電離時代”的宇宙關鍵時期。

要有光……

自宇宙爆炸起11億年的那段時期被稱為宇宙黑暗時代。

當宇宙大約380000歲時，它已經冷卻下來并允許電子和質子結合并形成原子。自由電子的小事意味著光子（光的基本粒子）不再被無休止地散射，而是能夠真正長距離傳播。

換言之，宇宙突然之間從混沌轉為透明，而當初“第一縷光”的化石碎片至今仍以宇宙微波背景碎片的形式存在。

然而，隨著宇宙繼續冷卻，更多的中性氫原子形成并開始大量吸收光子。這導致宇宙再次陷入黑暗，宇宙黑暗時代就此開啟。

本時間線總結了宇宙的演化過程，左側是大爆炸，右側是宇宙誕生后約20億年。隨著再電離的發生，第一批恒星和黑洞發出的輻射清除了中性氫的迷霧。（圖片來源：NASA/CXC/M. Weiss）

再電離時代指的是大爆炸后6.8億年至11億年之間的時期，在此期間，高能光開始將電子從氫離子中剝離，使光能夠再次自由傳播。

盡管人們認為第一批恒星的紫外光是再電離過程的關鍵，但科學家長期以來一直懷疑還有其他高能光源也在推波助瀾。

于是，早期類星體在此走到了臺前。

“再電離時代被認為是宇宙黑暗時代的休止符，”研究團隊成員、錢德拉X射線中心科學家Thomas Connor表示。“再電離的確切時間進程和引發因素仍無定論，而活躍中的超大質量黑洞的吸積作用或為關鍵一手。

類星體讓早期宇宙重見天日

類星體出現在超大質量黑洞長啜大嚼周邊物質的地方。

這些超大質量黑洞在被稱為“吸積盤”，最后將會被黑洞吞噬的扁平物質云中制造出巨大的摩擦力。此外，未被黑洞吞噬的物質會被引向其兩極，并被拋射成為一股接近光速的噴流。

這使得像J1429+5447這樣的類星體在電磁波譜上的亮度通常超過其周圍星系中所有恒星的總和。

因此，它們不僅是研究宇宙黑暗時代終結的理想光學對象，也是招致這一重要宇宙相變的主要嫌疑對象，因為它們可能提供了電離中性氫所需的能量。

Connor及其同事將NuSTAR對J1429+5447的觀測結果與錢德拉望遠鏡對同一類星體的觀測結果進行了比較。

本圖為錢德拉（右上）和NuSTAR（左下）對同一超大質量黑洞類星體的觀測結果。（圖片來源：Robert Lea，使用Canva制作）

研究人員發現，J1429+5447的X射線輻射強度在四個月內翻了一番。這對于一個已經存在1656億個月的宇宙而言已經不過須臾之間，但相對論的時間扭曲效應意味著這個早期超大質量黑洞此番變化的實際時長還要從四周壓縮到僅僅兩周之內。

“這是因為噴流運動速度接近光速，而愛因斯坦的狹義相對論效應加速并放大了這種變化，”來自耶魯大學文理學院的研究團隊成員Meg Urry解釋道。“這種X射線變化的強度和速度都達到了極端水平。這幾乎可以肯定是由于噴流指向我們——一個錐形區域，其中的粒子被輸送到距離中央超大質量黑洞達一百萬光年的地方。”

這一觀測繼續結果不僅可以幫助科學家解碼再電離的真相，還可能是發現更多早期超大質量黑洞并揭示它們如何變得如此巨大的關鍵。

——M87星系的巨型黑洞拋出近光速噴流

“吸血鬼”黑洞是一個“宇宙粒子加速器”，可能解決一個長期存在的天文學之謎

——銀河系中心超大質量黑洞的圖像暗藏了一個令人興奮的特征（圖像）

“更多可能擁有噴流的超大質量黑洞的發現是引人思考的：這些黑洞是如何在如此短的時間內變得如此巨大的？它們與噴流觸發機制之間又有什么聯系？”Marcotulli總結道。

該團隊于1月14日（周二）在美國馬里蘭州國家港舉行的第245屆美國天文學會會議上展示了他們的研究成果，該研究結果同步發表在《天體物理學雜志通訊》上。

BY:Robert Lea

FY:折光

如有相關內容侵權，請在作品發布后聯系作者刪除

轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處