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詹姆斯·韋伯太空望遠鏡看到一個古老的黑洞與碰撞的星系共舞

太空


詹姆斯·韋伯太空望遠鏡看到一個古老的黑洞與碰撞的星系共舞


超大質量黑洞驅動類星體的圖示 。插圖顯示了PJ308-21系統中氫（紅色和藍色）和氧（綠色）的線發射圖，該圖顯示了遮蔽中心類星體（QSO）的光后的情況 。（圖片來源：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大航天局、約瑟夫·奧姆斯特德（STScI）/Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
據美國生活科學網站（Robert Lea）：天文學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）觀測到超大質量黑洞和兩個衛星星系之間戲劇性的“舞蹈” 。這些觀測可以幫助科學家更好地了解星系和超大質量黑洞在早期宇宙中是如何生長的 。
這個特殊的超大質量黑洞以周圍的物質為食，并為一個如此遙遠的明亮類星體提供能量，以至于JWST認為它在大爆炸后不到十億年 。這顆名為PJ308-21的類星體位于一個正在與兩個大質量衛星星系合并的星系中的活動星系核（AGN）內 。
該團隊不僅確定了黑洞的質量相當于20億個太陽，而且他們還發現，參與這次合并的類星體和星系都是高度進化的，考慮到它們在13.8歲的宇宙還是嬰兒時就存在 ， 這是一個驚喜 。
這三個星系的合并可能會向超大質量黑洞輸送大量的氣體和塵埃，這將促進其生長，并使其能夠繼續為PJ308-21提供動力 。
意大利國家天體物理研究所（INAF）研究員、團隊負責人羅伯托·德卡利在一份聲明中表示：“我們的研究表明，在宇宙歷史的頭十億年里，高紅移（早期和遙遠）類星體中心的黑洞以及容納它們的星系都經歷了極其高效和動蕩的增長，這得益于形成這些源的豐富的星系環境 ?！?。
這些數據是由JWST的近紅外光譜儀（NIRSpec）于2022年9月收集的 ， 作為1554計劃的一部分，該計劃旨在觀察PJ308-21所在星系與其兩個衛星星系之間的合并 。
Decarli補充說，這項工作對團隊來說是一個真正的“情感過山車”，他們開發了創新的解決方案來克服數據縮減的最初困難，并生成每像素不確定性小于1%的圖像 。

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PJ308-21系統中電離氧發射的地圖，用JWST觀測到，顯示了該系統的復雜三維結構和類星體周圍衛星星系的“宇宙之舞” 。（圖片來源：Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
一個非常金屬的類星體
當位于星系中心的質量是太陽數百萬或數十億倍的超大質量黑洞被大量氣體和塵埃包圍時，類星體就誕生了 。這種物質形成了一個扁平的云，稱為吸積盤，它圍繞黑洞旋轉并逐漸為其提供能量 。
黑洞的巨大引力在這個吸積盤中產生了強大的潮汐力，將這種氣體和塵埃加熱到高達120000華氏度（67000攝氏度）的溫度 。這導致吸積盤在電磁波譜中發光 。這種發射通常比周圍星系中每顆恒星的組合光都亮，使PJ308-21等類星體成為宇宙中最亮的物體之一 。
雖然黑洞沒有可以用來確定它們是如何進化的特征，但它們的吸積盤（以及類星體）有 。事實上，星系也可以以同樣的方式“老化” 。

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藝術家對超大質量黑洞及其吸積盤的印象 。（圖片來源：S.Dagnello（NRAO/AUI/NSF））
早期的宇宙充滿了氫，這是最輕、最簡單的元素，還有一點氦 。這形成了第一批恒星和星系的基礎 ， 但在這些恒星體的生命周期中，它們鍛造了比氫和氦重的元素，天文學家稱之為“金屬”
當這些恒星在巨大的超新星爆炸中結束生命時 ， 這些金屬分散在它們的星系中，并繼續成為下一代恒星的基石 。在這個過程中 ， 恒星和星系逐漸“富含金屬”
研究小組發現 ， 與大多數活動星系核一樣，PJ308-21的活躍心臟富含金屬，其周圍的氣體和塵埃正在被“光電離” 。這是光粒子（稱為光子）提供電子逃離原子所需的能量，從而產生帶電離子的過程 。

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PJ308-21系統中氫（紅色和藍色）和氧（綠色）的線發射圖，顯示了遮蔽中心類星體（QSO）的光后的情況 。這張圖中類星體的宿主星系和伴星系的不同顏色揭示了它們內部氣體的條件和物理性質 。（圖片來源：Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
與宿主星系PJ308-21合并的星系之一也富含金屬，其物質也被類星體的電磁輻射部分光電離 。
第二個衛星星系也發生了光電離，但在這種情況下，它是由一輪快速恒星形成引起的 。這第二個星系也不同于第一個星系和AGN，因為它似乎是金屬貧乏的 。
“多虧了NIRSpec，我們第一次可以在PJ308-21系統中研究富含關于類星體所在星系和周圍星系中黑洞附近氣體特性的寶貴診斷數據的光學帶，”團隊成員兼INAF天體物理學家Federica Loiacono說 。“例如，我們可以看到氫原子的排放，并將其與恒星產生的化學元素的排放進行比較 ， 以確定氣體中金屬的含量 ?！?br>盡管光離開這個早期宇宙類星體的電磁波譜范圍很廣，包括光學光和X射線 ， 但觀察它的唯一方法是紅外 。
這是因為 ， 隨著光傳播了120多億年才到達JWST，宇宙的膨脹大大“拉伸”了它的波長 。這會使光向電磁波譜的“紅端”方向“移動”，這種現象可以理解地稱為“紅移”，天文學家將其表示為“z” 。
JWST擅長觀察像PJ308-21這樣的“高紅移”或“高z”物體和事件，因為它對紅外光敏感 。
Loiacono總結道：“由于JWST在近紅外和中紅外波段的靈敏度，有可能在遙遠的宇宙中以前所未有的精度研究類星體和伴星系的光譜 ?！??！爸挥蠮WST提供的優秀‘視圖’才能確保這些觀察結果 ?！?br>該團隊的研究于2024年6月被《天文學與天體物理學》雜志接受發表 。