出乎意料的是，大質量黑洞主宰著遙遠宇宙中的小星係。Credit: uux.cn/CfA/Melissa Weiss
（神秘的地球uux.cn）據哈佛史密森天體物理中心：天文學家發現早期星係中心的超大質量黑洞比預期的要大得多。這些令人驚訝的巨大黑洞為所有超大質量黑洞的起源以及它們所在星係生命的早期階段提供了新的見解。
在附近的成熟星係中，如我們的銀河係，恒星的總質量遠遠超過星係中心發現的大黑洞的質量，大約是1000比1。然而，在新發現的遙遠星係中，質量差下降到100或10比1，甚至1比1，這意味著黑洞可以等於其宿主星係恒星的質量總和。
這張新生星係中出乎意料的巨大黑洞的照片來自美國國家航空航天局最新旗艦天文台詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)。在2021年底發射的JWST之前，天文學家通常將他們對遙遠黑洞的研究局限於極其明亮的類星體，這些類星體由吞噬物質的巨大黑洞組成，完全超越了它們所在星係的恒星。
“有了JWST，我們現在終於可以在遙遠的小星係中觀察到質量較低但仍然超大質量的黑洞，我們也可以看到這些宿主星係中的恒星，”哈佛&史密森尼天體物理中心(CfA)的Clay研究員Fabio Pacucci說。“這讓我們第一次能夠研究早期黑洞和它們的宿主星係，因為它們一起進化。”
Pacucci是發表在天體物理學雜誌Letters上的一項新研究的主要作者，報告了這些發現，並在路易斯安那州新奧爾良舉行的美國天文學會第243屆會議上提交了這些結果。
“我們已經知道，遙遠的年輕星係違反了黑洞質量和恒星質量之間的關係，這種關係在附近的成熟星係中已經得到了很好的確立:這些原始黑洞相對於它們宿主的恒星數量來說無疑是過大的，”劍橋大學(英國)教授兼該研究的合著者Roberto Maiolino說。“有了JWST，將有可能通過找到比迄今為止發現的黑洞更遠更小的黑洞來查明第一個超大質量黑洞是如何形成的，我們的研究預測這些黑洞相當豐富。”
在這項研究中，帕庫奇和他的同事們對一組21個星係進行了統計分析，這些星係距離我們大約120億至130億光年，並通過三次發表的JWST巡天進行了觀察。
這21個星係擁有中心黑洞，其典型質量估計是我們太陽的幾千萬或幾億倍——仍然超大質量，但與迄今為止觀察到的大多數遙遠類星體的黑洞相比微不足道，這些類星體的質量是太陽的幾十億倍。
“總的來說，我們看到JWST觀測到的年輕星係中的黑洞比本地宇宙中的比例關係預測的要大10到100倍，”亞利桑那大學教授、該研究的合著者範曉輝說。“與現在相比，100多億年前，早期星係中恒星質量與黑洞質量的比率要低得多。這一結果對研究第一批黑洞具有重要意義。”
準確估計這個比率應該有助於表明超大質量黑洞前體——被稱為黑洞種子——是如何起源的。大體上，天文學家已經勾勒出兩條主要路徑:“輕”或“重”種子。
輕黑洞種子的質量相對較低，大約是太陽質量的100到1000倍。這些光種子可能是宇宙最初的巨大恒星的殘餘物。另一方麵，重黑洞的種子會有大約10，000到100，000個太陽質量。理論上，如此巨大的種子來自於巨大氣體雲的直接重力坍縮。
重種子路線通過從更高的起點為增長奠定基礎，應該有助於非常早期的超大質量黑洞的及時形成，這些黑洞是研究小組在過去二十年中在越來越遠的距離上發現的。對超大質量黑洞的新發現證實了重種子的想法，因為對這一路徑的模擬和理論計算預測，黑洞應該與它們所在的年輕星係的恒星成分大致一樣大，甚至更大。
星係是如何圍繞原始黑洞種子形成和共同進化的，仍然是一個懸而未決的天體物理學問題。黑洞主要是通過吸入氣體，還是通過與其他黑洞合並而成長的？恒星質量是主要在星係內部形成的，還是需要與其他更大的星係合並？帕庫奇和他的團隊預計，隨著更多的JWST研究，答案將開始實現。
“隨著宇宙時間的推移，我們知道恒星與黑洞的質量比逐漸趕上現代宇宙的1000比1。“這發生在黑洞和它的宿主星係一起進化的時候，與其他星係合並，形成大量的恒星，”帕庫奇說。“我們仍在努力的是深入觀察宇宙，拚湊出這一切是如何開始的。”
除了範曉輝(Xiaohui Fan)和羅伯托·邁奧利諾(Roberto Maiolino)之外，該論文的合著者還有亞利桑那大學的鮑·阮(Bao Nguyen)和意大利比薩高等師範學院(Scuola Normale Superiore)的斯特凡諾·卡尼亞尼(Stefano Carniani)。所使用的JWST巡天是JWST高級深河外巡天(JADES)、宇宙演化早期釋放科學巡天(CEERS)和NIRSpec IFS星係集合巡天(GA-NIFS)。

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