利用美国宇航局的钱德拉和韦伯望远镜，天文学家发现了一个古老的大质量黑洞，为宇宙中第一个超大质量黑洞的起源提供了线索，并挑战了之前关于它们生长的理论。资料来源:x射线:NASA/CXC/SAO/ákos Bogdán;红外线:NASA / ESA / CSA /太空望远镜科学研究所;图像处理:NASA/CXC/SAO/L。Frattare & K. Arcand
阿斯特罗科学家们发现了最遥远的x射线黑洞，挑战了我们对早期宇宙中超大质量黑洞形成的理解。
天文学家利用美国宇航局的望远镜发现了迄今为止用x射线观测到的最遥远的黑洞。这个黑洞正处于以前从未见过的早期成长阶段，它的质量与它的宿主星系相似。
这一结果或许可以解释宇宙中第一批超大质量黑洞是如何形成的。
通过结合美国宇航局钱德拉x射线天文台和美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜的数据，一组研究人员能够找到大爆炸后4.7亿年后一个正在增长的黑洞的明显特征。
“我们需要韦伯来发现这个非常遥远的星系，需要钱德拉来发现它的超大质量黑洞，”哈佛和史密森尼天体物理中心(CfA)的阿科斯·波格丹(Akos Bogdan)说，他在《自然天文学》杂志上发表了一篇新论文，描述了这些结果。“我们还利用了一个宇宙放大镜，增加了我们探测到的光的数量。”这种放大效应被称为引力透镜效应。
天文学家使用钱德拉和韦伯太空望远镜发现了x射线探测到的最遥远的黑洞(在一个被称为UHZ1的星系中)。x射线发射是超大质量黑洞成长的标志。这一结果或许可以解释宇宙中第一批超大质量黑洞是如何形成的。这些图像显示了UHZ1所在的星系团Abell 2744，来自钱德拉的x射线和韦伯的红外数据，以及黑洞宿主星系UHZ1的特写。资料来源:x射线:NASA/CXC/SAO/ákos Bogdán;红外线:NASA / ESA / CSA /太空望远镜科学研究所;图像处理:NASA/CXC/SAO/L。Frattare & K. Arcand
Bogdan和他的团队在一个名为UHZ1的星系中发现了这个黑洞，该星系位于Abell 2744星系团方向，距离地球35亿光年。然而，韦伯的数据显示，该星系比星系团远得多，距离地球132亿光年，当时宇宙只有现在年龄的3%。
随后，钱德拉望远镜进行了两周的观测，发现在这个星系中存在着强烈的、过热的、发射x射线的气体——这是一个正在增长的超大质量黑洞的标志。星系发出的光和超大质量黑洞周围气体发出的x射线通过介入Abell 2744中的物质(由于引力透镜)被放大了大约四倍，增强了韦伯探测到的红外信号，使钱德拉能够探测到微弱的x射线源。
这一发现对于理解一些超大质量黑洞是如何在大爆炸后很快达到巨大质量的非常重要。它们是直接由巨大的气体云坍缩形成的，产生质量在1万到10万个太阳之间的黑洞吗?还是它们来自于第一批恒星爆炸产生的黑洞，黑洞的质量只有10到100个太阳?
“黑洞形成后的生长速度是有物理限制的，但那些出生时质量更大的黑洞有一个良好的开端。普林斯顿大学的安迪·古尔丁说:“这就像种一棵小树苗，它比只种一颗种子所需的时间更短。”古尔丁是《自然天文学》论文的合著者，也是《天体物理学杂志通讯》上一篇新论文的主要作者，该论文利用韦伯望远镜的光谱报告了星系的距离和质量。
插图:由巨大气体云直接坍缩形成的重种子黑洞。图片来源:NASA/STScI/Leah Hustak
Bogdan的团队已经发现了令人信服的证据，证明新发现的黑洞诞生时质量很大。根据x射线的亮度和能量，它的质量估计在1000到1亿个太阳之间。这个质量范围与它所在星系中所有恒星的质量范围相似，这与附近宇宙中星系中心的黑洞形成鲜明对比，后者通常只包含其宿主星系恒星质量的千分之一左右。
黑洞在年轻时的巨大质量，加上它产生的x射线的数量以及韦伯探测到的星系的亮度，都与耶鲁大学的合著者普里亚姆瓦达·纳塔拉扬在2017年的理论预测一致，即“超大黑洞”直接由巨大的气体云坍缩形成。
“我们认为这是第一次探测到‘超大黑洞’，也是迄今为止最好的证据，证明一些黑洞是由巨大的气体云形成的，”纳塔拉扬说。“这是我们第一次看到一个短暂的阶段，在它落后之前，超大质量黑洞的重量与星系中的恒星相当。”
研究人员计划利用这一结果，以及韦伯望远镜和其他望远镜收集到的数据，来绘制一幅更大的早期宇宙图景。
美国宇航局的哈勃太空望远镜先前显示，来自遥远星系的光被中间星系团中的物质高度放大，这为韦伯和钱德拉的观测提供了部分动机。
引用:
“来自z≈10 x射线类星体的早期超大质量黑洞重种子起源的证据”，作者:ákos Bogdán, Andy D. Goulding, Priyamvada Natarajan, Orsolya E. Kovács, Grant R. Tremblay, Urmila Chadayammuri, Marta Volonteri, Ralph P. Kraft, William R. Forman, Christine Jones, Eugene Churazov和Irina Zhuravleva, 2023年11月6日，《自然天文学》。DOI: 10.1038 / s41550 - 023 - 02111 - 9
“发现:来自JWST/ nir第一个大质量黑洞的增长-光谱红移对z=10.1”x射线发光AGN的确认，作者:Andy D. Goulding, Jenny E. Greene, David J. Setton, Ivo Labbe, Rachel Bezanson, Tim B. Miller, Hakim Atek， ákos Bogdán, Gabriel Brammer, Iryna Chemerynska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Yoshinobu Fudamoto, Seiji Fujimoto, Lukas J. Furtak, Vasily Kokorev, Gourav Khullar, Joel Leja, Danilo Marchesini, Priyamvada Natarajan, Erica Nelson, Pascal A. Oesch，Richard Pan, Casey Papovich, Sedona H. Price, Pieter van Dokkum，王炳杰，2002.3年9月22日，《天体物理学报》。2041 - 8213 . DOI: 10.3847 / / acf7c5
描述Bogdan团队研究结果的论文发表在《自然天文学》上。除了上面列出的作者外，作者还包括Orsolya Kovacs(捷克马萨里克大学)，Grant Tremblay (CfA)， Urmila Chadayammuri (CfA)， Marta Volonteri(法国巴黎天体物理研究所)，Ralph Kraft (CfA)， William Forman (CfA)， Christine Jones (CfA)， Eugene Churazov(德国马克斯普朗克天体物理研究所)和Irina Zhuravleva(芝加哥大学)。
两篇论文中使用的韦伯数据是一项名为再电离时代前超深Nirspec和nirCam观测(揭开)的调查的一部分。由“揭开面纱”团队成员安迪·古尔丁领导的这篇论文发表在《天体物理学杂志快报》上。论文的共同作者包括其他“揭秘”团队成员，以及Bogdan和Natarajan。一篇详细的解释论文即将发表，该论文将UHZ1的观测特性与超大黑洞星系的理论模型进行比较。
美国宇航局马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉项目。史密森天体物理天文台的钱德拉x射线中心控制着马萨诸塞州剑桥市的科学操作，以及马萨诸塞州伯灵顿市的飞行操作。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系的谜团，放眼其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是由美国宇航局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一个国际项目。分享推特reddit电子邮件分享
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