麻省理工学院的天文学家观察到古代类星体周围难以捉摸的恒星光

麻省理工学院的天文学家已经观察到宇宙中一些最早的类星体周围难以捉摸的星光。这些遥远的信号可以追溯到130多亿年前的宇宙婴儿期，揭示了第一批黑洞和星系如何演化的线索。

类星体是活跃星系的炽热中心，其核心有一个永不满足的超大质量黑洞。大多数星系都有一个中心黑洞，它可能偶尔会以气体和恒星碎片为食，当物质向黑洞旋转时，会产生短暂的发光环形式。

相比之下，类星体可以在更长的时间内消耗大量的物质，产生一个非常明亮和持久的环——事实上，类星体是如此明亮，以至于类星体是宇宙中最明亮的物体之一。

因为它们是如此明亮，类星体比它们所在的星系的其余部分更亮。但麻省理工学院的团队首次能够观察到来自三个古老类星体宿主星系中的恒星发出的更微弱的光。

基于这种难以捉摸的恒星光，研究人员估计了每个宿主星系的质量，并将其与其中心超大质量黑洞的质量进行比较。他们发现，对于这些类星体来说，与现代黑洞相比，中心黑洞相对于它们的宿主星系要大得多。

今天发表在 《天体物理学杂志》上的这一发现可能会揭示最早的超大质量黑洞是如何变得如此巨大的，尽管宇宙的生长时间相对较短。特别是，那些最早的怪物黑洞可能是从比更现代的黑洞更大的“种子”中萌芽的。

“在宇宙出现后，有种子黑洞，然后消耗物质并在很短的时间内增长，”研究作者，麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的博士后Minghao Yue说。“其中一个大问题是要了解那些怪物黑洞是如何长得如此之大、如此之快的。

“这些黑洞的质量是太阳的数十亿倍，而宇宙仍处于起步阶段，”研究作者、麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯（Anna-Christina Eilers）说。“我们的研究结果表明，在早期宇宙中，超大质量黑洞可能在它们的宿主星系之前获得了质量，而最初的黑洞种子可能比今天更大。

Eilers和Yue的合著者包括麻省理工学院Kavli主任Robert Simcoe，麻省理工学院哈勃研究员和博士后Rohan Naidu，以及瑞士，奥地利，日本和北卡罗来纳州立大学的合作者。

璀璨夺目的核心

自从天文学家在1960年代首次发现类星体以来，类星体的极端光度就很明显。他们当时假设类星体的光来自一个单一的、类似恒星的“点源”。科学家将这些天体命名为“类星体”，作为“准恒星”天体的合成词。自从第一次观测以来，科学家们已经意识到类星体实际上不是恒星的起源，而是来自位于星系中心的强烈强大和持久的超大质量黑洞的吸积，这些黑洞也拥有恒星，与它们耀眼的核心相比，这些恒星要暗淡得多。

将类星体中心黑洞的光与宿主星系恒星的光分开是极具挑战性的。这项任务有点像在中央巨大的探照灯周围辨别一片萤火虫。但近年来，随着美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的发射，天文学家有更好的机会做到这一点，该望远镜能够比任何现有的天文台都更久远，并且具有更高的灵敏度和分辨率。

在他们的新研究中，Yue和Eilers在JWST上利用专门的时间观察了六个已知的古代类星体，从2022年秋天到第二年春天断断续续地观察了六个已知的古代类星体。该团队总共收集了六个遥远物体的120多个小时的观测结果。

“类星体比它的宿主星系高出几个数量级。以前的图像不够清晰，无法区分宿主星系及其所有恒星的样子，“Yue说。“现在，我们第一次能够通过非常仔细地模拟JWST对这些类星体的更清晰的图像来揭示这些恒星的光。

轻盈的平衡

该团队评估了JWST收集的六个遥远类星体中每个类星体的成像数据，他们估计这些类星体大约有130亿年的历史。这些数据包括对每个类星体不同波长的光的测量。研究人员将这些数据输入到一个模型中，该模型显示有多少光可能来自紧凑的“点光源”，例如中央黑洞的吸积盘，而不是更漫射的光源，例如来自宿主星系周围散射恒星的光。

通过这种建模，研究小组将每个类星体的光分成两部分：来自中心黑洞发光盘的光和来自宿主星系更漫射恒星的光。来自两个光源的光量是它们总质量的反射。研究人员估计，对于这些类星体，中心黑洞的质量与宿主星系的质量之比约为1：10。他们意识到，这与今天1：1,000的质量平衡形成鲜明对比，在1：1,000的质量平衡中，最近形成的黑洞与它们的宿主星系相比质量要小得多。

“这告诉我们一些关于什么首先增长的信息：是黑洞首先增长，然后星系赶上来吗？还是银河系和它的恒星首先生长，它们主宰和调节着黑洞的生长？Eilers解释道。“我们看到早期宇宙中的黑洞似乎比它们的宿主星系增长得更快。这是初步证据，表明最初的黑洞种子在当时可能更大。

“一定有某种机制可以使黑洞在最初的十亿年中比宿主星系更早地获得质量，”Yue补充道。“这是我们看到的第一个证据，这令人兴奋。