耶鲁大学天文学家引领着已知最古老的X射线类星体

天文学家已经发现了宇宙中已知最古老的X射线类星体，其性质与耶鲁大学天文学家Priyamvada Natarajan及其研究小组对一类新型遥远物体的预测完全一致。

在《自然天文学》杂志上的一项新研究中，来自哈佛大学和普林斯顿大学的Natarajan及其同事将一个被称为UHZ1的天体确定为宇宙中已知的最高（或最古老的）“红移”X射线类星体。另一项研究将发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上，对这一发现进行了深入的解释。

类星体是一个发光的超大质量黑洞。它的亮度来自过热气体，当气体落入黑洞时，它会在可见光谱内及更远的地方发出热辐射。远处物体发出的光的波长在到达我们时会被拉伸到更长的更红的波长，并用一个称为红移的数字来量化;较高的红移表示较老的物体，其光经过更远的距离到达地球。

根据《自然天文学》的研究，UHZ1的红移为10.1，这表明它需要UHZ1的光137.2亿光年才能到达地球。

“能够揭示一个超大质量黑洞的存在是令人兴奋的，它在大爆炸后仅4.5亿年就位于星系的中心，“约瑟夫·S·弗鲁顿（Joseph S.）和索菲亚·弗鲁顿（Sophia S. Froton）天文学教授、耶鲁大学艺术与科学学院物理学教授、天文学系主任纳塔拉扬说。“美国宇航局的钱德拉太空望远镜探测到来自这个遥远类星体的X射线，该类星体的中心有一个巨大的黑洞。

除了作为已知最古老的X射线类星体的重要性之外，UHZ1还提供了令人信服的证据，证明早期宇宙中“播种”着沉重的黑洞种子，这些种子具有较大的出生质量，可能是由直接坍缩形成的 – 这是由Natarajan和她的合作者开创和发展的概念，近年来在天体物理学家中获得了关注。

以前，人们认为黑洞只能由恒星爆炸后产生的“光种子”形成。但这个理论存在一个时间问题——它没有留下足够的时间让黑洞成长为天文学家现在能够观测到的越来越远的庞然大物。

耶鲁大学的纳塔拉詹提出了一个不同的理论。在2006年和2007年发表的论文中，她开发了一种“重”黑洞种子的新模型，这些模型可以在恒星形成受到抑制的星系中形成 – 卫星星系靠近形成第一批恒星的星系。在这个模型中，卫星星系中的大气体盘可能会坍缩成沉重的黑洞种子，然后迅速与它们的母星系合并。

2017年，纳塔拉詹与她的耶鲁大学研究小组一起领导了一项研究，该研究表明，这些超大质量黑洞将具有独特的特性，并且可以在高红移宇宙中观察到 – 在当时未发射（现在正在运行）的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的帮助下。纳塔拉詹预测，超大质量黑洞星系的中心黑洞超过其宿主星系中的恒星，JWST和钱德拉X射线天文台都应该将其视为X射线类星体。

纳塔拉詹甚至记录了高红移、超大质量黑洞的潜在候选位置，包括宇宙放大镜后面的一个点，比如已经发现的名为Abell 2744的星系团。

“UHZ1是第一个与我们预测的这种瞬态超大质量黑洞星系的所有预测特性相匹配的候选者，“Natarajan说。

六年后，这一预测已被观察证实。

由哈佛史密森尼天体物理中心的Akos Bogdan和普林斯顿大学的Andy Goulding领导的一个团队结合了钱德拉X射线天文台和JWST的最新数据，以追踪星系Abell 2744。他们利用了一种称为引力透镜的方法——纳塔拉扬理论研究的另一个重点——并将阿贝尔2744视为更深入宇宙的放大镜。

在那里，他们发现了纳塔拉扬的“重种子”，这是已知最古老的X射线类星体。

“JWST帮助我们找到了这个极其遥远的星系，然后钱德拉的深度观测揭示了其中心有一个X射线明亮的超大质量黑洞，“波格丹说。“结合美国宇航局太空望远镜独特的多波长能力，使这一发现成为可能。

古尔丁补充说：“UHZ1可能只是冰山一角。韦伯太空望远镜为早期宇宙打开了一扇新窗口。毫无疑问，它将帮助我们找到更多的UHZ1，并最终了解超大质量黑洞是否司空见惯。

纳塔拉詹说，现在有越来越多的证据表明，自然界可能通过多种情况产生黑洞种子，并且需要多年的工作来模拟这些额外通道的细节，指出在哪里以及如何找到它们。

“现在我们看到了令人信服的第一个证据，“纳塔拉詹说。“这是一个令人兴奋的主题交叉点，是我一直在做的所有事情的高潮。”

对这项研究的支持部分来自哈佛大学的黑洞计划，该计划由约翰邓普顿基金会和戈登和贝蒂摩尔基金会资助。