韦布发现破纪录的黑洞

利用美国航空航天局（NASA）的多个望远镜，天文学家发现了迄今为止在X射线下观察到的最遥远的黑洞。这个黑洞正处于生长的早期阶段，这在以前是从未见过的，它的质量与其宿主星系的质量相近。

这一结果或许可以解释宇宙中最早的一批超大质量黑洞是如何形成的。

通过结合NASA钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）和詹姆斯·韦布空间望远镜的数据，一个研究团队发现了一个生长中黑洞的蛛丝马迹，这个黑洞诞生于宇宙大爆炸后仅4.7亿年。

天文学家利用钱德拉天文台和韦布空间望远镜发现了迄今为止用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射线发射是一个不断生长的超大质量黑洞的明显特征，这一结果或许可以解释宇宙中最早的一批超大质量黑洞是如何形成的。这幅图像通过钱德拉天文台的X射线和韦布望远镜的红外线数据，展示了星系团阿贝尔2744（Abell 2744），以及黑洞宿主星系UHZ1的特写。X射线：NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán红外：NASA/ESA/CSA/STScI图像处理：NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand

哈佛-史密松天体物理中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian，CfA）的阿科什·波格丹（Ákos Bogdán）在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上发表了一篇描述这些结果的新论文，他表示：“我们需要韦布望远镜来发现这个非常遥远的星系，需要钱德拉天文台来发现它的超大质量黑洞。我们还利用了一种宇宙放大镜，它提高了我们探测到的光量。”这种放大效应被称为引力透镜（gravitational lensing）。

在新研究中，波格丹团队梳理了由韦布望远镜观测到的11个在大爆炸后不到10亿年的时间里就存在的星系。在一个名为UHZ1的星系中，他们发现了这个破纪录的黑洞，它位于距离地球35亿光年的星系团阿贝尔2744（Abell 2744）方向。然而，韦布望远镜的数据显示，这个星系比星系团要遥远得多，距离地球约132亿光年，当时宇宙的年龄只有现在的3%。

随后，钱德拉天文台进行了两周多的观测，结果显示这个星系中存在强烈的、过热的、发射X射线的气体，而这是一个不断生长的超大质量黑洞的标志。由于引力透镜作用，来自星系UHZ1的光线和来自它的超大质量黑洞周围气体的X射线被星系团阿贝尔2744中的干扰物质放大了大约四倍，从而增强了韦布望远镜探测到的红外信号，并使钱德拉天文台能够探测到微弱的X射线源。

这一发现对于理解一些超大质量黑洞如何在大爆炸后不久就能达到巨大质量非常重要。它们是由大质量气体云的坍缩直接形成的，产生的黑洞质量大约在1万到10万个太阳之间？还是说它们来自于第一颗恒星的爆炸，产生的黑洞质量只有大约10到100个太阳？

“黑洞一旦形成，其生长速度就会受到物理限制，但天生质量较大的黑洞却有先发优势。”美国普林斯顿大学（Princeton University）的安迪·古尔丁（Andy Goulding）说，“这就像种植一棵树苗，它长成参天大树所需的时间比你从一粒种子开始种植所需的时间要短。”古尔丁是《自然-天文学》论文的合著者之一，也是《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上一篇新论文的主要作者，该论文利用韦布望远镜的光谱报告了星系UHZ1的距离和质量。

对于新探测到的黑洞，波格丹的研究团队发现了它天生质量巨大的有力证据。根据X射线的亮度和能量，它的质量估计在1千万到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相近，与附近宇宙中星系中心的黑洞形成了鲜明对比，后者通常只包含其所在星系恒星质量的十分之一。

黑洞年轻时的巨大质量，加上它产生的大量X射线以及韦布望远镜探测到的星系亮度，都与论文的合著者之一、美国耶鲁大学（Yale University）的普里亚姆瓦达·纳塔拉詹（Priyamvada Natarajan）在2017年对“超大型黑洞”（Outsize Black Hole）的理论预测相吻合，“超大型黑洞”是由巨大的气体云坍缩直接形成的。

“我们认为，这是首次探测到‘超大型黑洞’，也是迄今为止获得的关于某些黑洞是由大质量气体云形成的最佳证据。”纳塔拉詹说，“我们第一次看到超大质量黑洞的一个短暂阶段，它的重量与星系中恒星的重量差不多。”

研究人员计划利用这一结果，以及韦布望远镜和其他望远镜的综合数据得出的其他结果，来填补早期宇宙的更大空白。

NASA的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）此前曾显示，来自遥远星系的光线会被中间星系团中的物质高度放大，这也是本文所述韦布望远镜和钱德拉天文台观测的部分动机。

介绍波格丹团队研究成果的论文发表在《自然-天文学》上，预印本（https://arxiv.org/abs/2305.15458）可免费在线查阅。

这两篇论文中使用的韦布望远镜数据都是一项名为“再电离时期之前的超深度近红外光谱仪和近红外相机观测数据”（Ultradeep Nirspec and nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization，UNCOVER）调查的一部分。由UNCOVER团队成员安迪·古尔丁领导的论文发表在《天体物理学杂志快报》上。共同作者包括UNCOVER团队的其他成员，以及波格丹和纳塔拉詹。还有一篇更为详尽的解释性论文即将发表，对星系UHZ1的观测特性与超大型黑洞星系的理论模型进行了比较。

NASA马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉计划。史密松天体物理天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的钱德拉X射线中心（Chandra X-ray Center）在马萨诸塞州的剑桥控制科学运行，在马萨诸塞州的伯灵顿控制飞行运行。

詹姆斯·韦布空间望远镜是世界上最重要的太空科学观测站之一。韦布望远镜正在揭开太阳系的神秘面纱，眺望其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，解析人类在宇宙中的位置。韦布望远镜是一项国际计划，由NASA领导，其合作伙伴包括欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency）。