最早的巨大黑洞风暴被发现:关于宇宙早期历史的提示性信号

摘要:

研究人员利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)发现了131亿年前由一个超大质量黑洞驱动的巨大星系风。这是迄今为止最早观察到的这种风的例子,也是一个明显的迹象,这表明巨大的黑洞在宇宙的早期历史中就对星系的成长产生了深刻的影响。

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在许多大型星系的中心隐藏着一个超大质量的黑洞,其质量是太阳的数百万到数十亿倍。有趣的是,黑洞的质量与附近宇宙中星系的中心区域(隆起)的质量大致成正比。乍一看,这似乎很明显,但实际上是非常奇怪的。原因是,星系和黑洞的大小相差大约十个数量级。基于两个大小相差悬殊的物体的质量之间的这种比例关系,天文学家认为,星系和黑洞是通过某种物理互动而一起成长和进化的(共同进化)。

银河系风可以提供黑洞和星系之间的这种物理互动。一个超大质量的黑洞吞下了大量的物质。当这些物质由于黑洞的引力而开始高速运动时,它发出强烈的能量,可以将周围的物质向外推。这就是银河系风的产生过程。

"问题是星系风是什么时候在宇宙中出现的?"研究论文的主要作者、日本国家天文台(NAOJ)的一名研究员Takuma Izumi说。"这是一个重要的问题,因为它与天文学中的一个重要问题有关:星系和超大质量黑洞是如何共同演化的?"

研究小组首先使用NAOJ的斯巴鲁望远镜来搜索超大质量黑洞。由于它的广域观测能力,他们在宇宙中发现了100多个130多亿年前带有超大质量黑洞的星系。然后,研究小组利用ALMA的高灵敏度来研究黑洞的宿主星系中的气体运动。ALMA观测了由斯巴鲁望远镜发现的一个星系HSC J124353.93+010038.5(以下简称J1243+0100),并捕获了该星系中尘埃和碳离子发出的无线电波。

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遥远的星系J1243+0100的ALMA图像,其中心承载着一个超大质量的黑洞。银河系中安静气体的分布以黄色显示,高速银河系风的分布以蓝色显示。风位于星系的中心,这表明风是由超大质量黑洞驱动的。

对ALMA数据的详细分析显示,在J1243+0100中存在着一个以每秒500公里速度移动的高速气体流。这个气体流有足够的能量推开星系中的恒星物质,并阻止恒星形成活动。这项研究中发现的气体流是真正的银河系风,它是观测到的具有银河系规模的巨大风的最古老的例子。之前的记录保持者是一个大约130亿年前的星系,所以这次观察将开始时间又推后了1亿年。

研究小组还测量了J1243+0100中安静气体的运动,并根据其引力平衡估计出该星系隆起的质量约为太阳的300亿倍。用另一种方法估计的该星系的超大质量黑洞的质量大约是该质量的1%。这个星系中的隆起与超大质量黑洞的质量比与现代宇宙中黑洞与星系的质量比几乎相同。这意味着超大质量黑洞和星系的共同演化从宇宙诞生后不到10亿年就开始发生了。

"我们的观测结果支持最近的高精度计算机模拟,这些模拟预测,甚至在大约130亿年前就有了共同进化的关系,"Izumi评论道。"我们正计划在未来观察大量这样的天体,并希望澄清在这个天体中看到的原始共同演化是否是当时一般宇宙的准确写照"。

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