類星體是宇宙中最明亮的天體，其中心黑洞瘋狂吞噬周圍物質(zhì)而發(fā)出極強(qiáng)的光芒。通過長期的觀測研究，天文學(xué)家確定早期宇宙的類星體中含有超大質(zhì)量黑洞。但這些黑洞是如何在宇宙誕生不久就“成長”為超大質(zhì)量黑洞，一直是一個(gè)有爭議的熱門課題。

近日，美國亞利桑那大學(xué)史都華天文臺(tái)的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了早期宇宙中質(zhì)量最大的類星體，其擁有著一個(gè)15億倍太陽質(zhì)量的黑洞，相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在《天體物理學(xué)》雜志上。據(jù)悉，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的類星體被正式命名為J1007+2115，它是已知距離我們最遠(yuǎn)的也是最老的類星體之一。

早期宇宙中的超大質(zhì)量黑洞困擾天文學(xué)家

類星體是目前已知宇宙中最活躍的天體之一，也是人類觀測到的最遙遠(yuǎn)的天體。“根據(jù)目前的理論，類星體由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)。在黑洞吞噬塵埃、氣體甚至整個(gè)恒星等周圍物質(zhì)的過程中，大量的引力能被釋放出來，部分引力能轉(zhuǎn)化為輔射，從而導(dǎo)致類星體的亮度可以超過整個(gè)宿主星系。”中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)教授劉四明表示。

J1007+2115的紅移數(shù)據(jù)顯示，其發(fā)出的光線經(jīng)過130.2億年的“長途跋涉”才最終到達(dá)地球。這就意味著，它至少在宇宙大爆炸后7億年前就已存在。

“宇宙一直處于膨脹的過程中，故而距離我們越遠(yuǎn)的天體，其形成的時(shí)間越早。新發(fā)現(xiàn)類星體的光譜分析，可以用來估計(jì)驅(qū)動(dòng)其發(fā)光的黑洞質(zhì)量。”劉四明介紹道，“由于膨脹宇宙中的光子紅移現(xiàn)象，距離我們越遠(yuǎn)的天體，其產(chǎn)生的光子在被我們探測到時(shí)波長也越長。遠(yuǎn)處天體的輻射功率可以由觀測到的輻射強(qiáng)度和距離得到，輻射功率越大，黑洞的質(zhì)量也越大。”

如此古老且質(zhì)量巨大的類星體，為研究人員提供了一個(gè)難得的研究機(jī)會(huì)，或許能夠解答一個(gè)長期困擾天文學(xué)家的問題——為何宇宙早期能夠形成超大質(zhì)量黑洞?

對(duì)此，曾有天文學(xué)家推測，宇宙中那些古老的超大質(zhì)量黑洞可能形成于早期宇宙中的超大質(zhì)量恒星。理論上來說，與黑洞的緩慢“成長”不同，恒星在形成時(shí)能以更快地速度獲取質(zhì)量，所以在早期宇宙中大質(zhì)量恒星更容易形成。當(dāng)這些巨大的恒星坍縮時(shí)，便形成了一個(gè)古老且質(zhì)量巨大的黑洞。不過，截至目前，天文學(xué)家并未在早期宇宙中發(fā)現(xiàn)這樣的超大質(zhì)量恒星，這一理論還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

新發(fā)現(xiàn)或動(dòng)搖黑洞是恒星死亡產(chǎn)物理論

古老的類星體對(duì)研究早期宇宙至關(guān)重要。

根據(jù)目前的宇宙模型，早期的宇宙是一團(tuán)“高度均勻的火球”，充滿著氫與氦。隨著宇宙不斷膨脹，宇宙的溫度逐漸降低，使得原本的電離氣體變成了中性氣體而失去了發(fā)光的能力，宇宙逐漸冷卻并進(jìn)入“黑暗時(shí)代”。但是這些冷卻的氣體在空間中并不是絕對(duì)均勻分布的，氣體較為密集的區(qū)域，最終在引力的作用下坍縮形成了第一代恒星。第一代恒星和星系的出現(xiàn)花了大約3億至4億年的時(shí)間，使得宇宙開始逐漸升溫。

可見第一代恒星和星系的形成都是如此“費(fèi)時(shí)費(fèi)力”。

“目前主流的理論認(rèn)為，黑洞是在恒星死亡時(shí)產(chǎn)生的，而類星體又是由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的。故而古老類星體的存在可以限制宇宙中第一代恒星的最晚形成時(shí)間，并幫助我們了解隨后的黑洞成長過程。”劉四明介紹道，“換句話說，類星體出現(xiàn)得越早，對(duì)現(xiàn)有主流宇宙模型以及人們對(duì)黑洞產(chǎn)生和生長過程的認(rèn)識(shí)挑戰(zhàn)也越大。”

“出現(xiàn)非常古老而巨大的黑洞可能會(huì)動(dòng)搖目前‘黑洞是恒星死亡產(chǎn)物’的理論。因?yàn)閺膸资畟€(gè)太陽質(zhì)量的黑洞成長成15億個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞需要很長的時(shí)間。”劉四明解釋道，“這可能會(huì)促使我們更新對(duì)早期宇宙的認(rèn)識(shí)。”(記者 張 曄)

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