天文
无法解释的黑洞质量：JWST揭示宇宙黎明期的成熟类星体
詹姆斯-韦伯太空望远镜观测到一个在宇宙黎明期的成熟类星体，其中心黑洞质量超过十亿太阳质量，这一发现挑战了现有的星系演化模型。
艺术家对类星体明亮核心区域的印象，一个活跃的星系。中心的超大质量黑洞被一个明亮的气体和尘埃盘包围。更远的尘埃成分可以模糊内部的视野，并主要在中红外范围内发光，詹姆斯韦伯太空望远镜可以分析这种光线。一束成束的高能粒子束从黑洞附近垂直于盘状突起进入太空。
詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)观测到一个宇宙早期阶段的星系。回溯过去，可以清楚地看到，这个名为J1120+0641的星系的光到达地球几乎花了与宇宙发展到现今相同的时间。独立测量显示，其中心的黑洞质量超过十亿太阳质量，这令人难以解释。相关发现发表在《自然天文学》杂志上。
对黑洞附近物质的最近观测本应揭示一种特别高效的供给机制，但未能发现任何特别之处。这一结果更为不寻常：这可能意味着天体物理学家对星系演化的理解比他们想象的要少。然而，这一发现并不令人失望。
宇宙历史的最初十亿年是一个挑战：已知的最早的星系中心黑洞具有惊人的大质量。它们是如何在如此短的时间内变得如此巨大的？这里描述的新观测强有力地反对了一些提出的解释，特别是反对早期黑洞的“超高效供给模式”。
超大质量黑洞增长的极限
在过去的138亿年里，恒星和星系发生了巨大变化。星系变得更大，并通过消耗周围的气体或偶尔与其他星系合并来获得更多质量。长期以来，天文学家认为，星系中心的超大质量黑洞将与星系本身一起逐渐增长。
但黑洞的增长不能无限快。物质落入黑洞形成一个旋转、炙热、明亮的“吸积盘”。当这种情况发生在超大质量黑洞周围时，结果是一个活动星系核。最亮的这种天体被称为类星体，是整个宇宙中最亮的天体之一。但这种亮度限制了物质落入黑洞的量：光施加的压力可以阻止额外物质的进入。
天文学家因此感到惊讶，因为过去二十年的观测显示，遥远的类星体中有非常年轻的黑洞，其质量却达到了高达一百亿太阳质量。光从遥远的天体到达我们需要时间，因此观察远处的天体就意味着在观察遥远的过去。我们看到的最远的类星体是在所谓的“宇宙黎明”时期，即大爆炸后不到十亿年，当时第一批恒星和星系形成。
解释这些早期的大质量黑洞对当前的星系演化模型是一个相当大的挑战。早期黑洞是否比现代黑洞更有效地吸积气体？还是尘埃的存在影响了类星体质量的估计，使研究人员高估了早期黑洞的质量？目前有许多提出的解释，但没有一个被广泛接受。
早期黑洞的增长
要确定哪种(如果有的话)解释是正确的，需要比以前更完整的类星体图景。随着太空望远镜JWST的出现，尤其是望远镜的中红外仪器MIRI，天文学家研究遥远类星体的能力取得了巨大的飞跃。对于测量遥远类星体光谱，MIRI比以前的任何仪器灵敏度高出4000倍。
像MIRI这样的仪器是由国际联盟建造的，科学家、工程师和技术人员紧密合作。自然地，联盟非常感兴趣测试他们的仪器是否如计划般表现。
作为建造仪器的回报，联盟通常会获得一定的观测时间。2019年，在JWST发射前几年，MIRI欧洲联盟决定利用其中一些时间观测当时已知的最遥远的类星体，编号为J1120+0641。
观测最早期的黑洞之一
分析这些观测数据的任务落在了马普天文研究所(MPIA)博士后研究员Sarah Bosman身上，她是MIRI欧洲联盟的成员。MPIA为MIRI仪器提供了一些关键内部部件。Bosman被邀请加入MIRI合作项目，特别是为了带来她在研究早期宇宙，特别是第一批超大质量黑洞方面的专业知识。
观测是在2023年1月JWST的首次观测周期内进行的，持续了大约两个半小时。这些观测构成了对宇宙黎明时期类星体的首次中红外研究，仅在大爆炸后7.7亿年(红移z=7)。这些信息不是来自图像，而是来自光谱：将天体的光分解为不同波长的组成部分。
追踪尘埃和快速移动的气体
中红外光谱的整体形状(“连续光谱”)编码了典型类星体中围绕吸积盘的大尘埃环的特性。这个环帮助引导物质进入吸积盘，向黑洞“喂食”。
对于那些偏爱快速增长模式来解释早期大质量黑洞的人来说，不幸的是：这个尘埃环，以及由此延伸出的早期类星体的供给机制，似乎与现代类星体相同。唯一的不同是一个没有快速早期类星体增长模型预测到的细节：尘埃温度比近距离类星体高出约100开尔文，比1300K的最热尘埃温度高。
光谱的短波部分主要由吸积盘本身的辐射主导，显示对于我们这些遥远的观察者来说，类星体的光没有因更多的尘埃而变暗。因此，认为我们仅仅因为额外的尘埃而高估了早期黑洞质量的观点也不是解决方案。
早期类星体“令人震惊的正常”
类星体的宽线区，气体团块以接近光速绕黑洞运行，可以推断黑洞的质量、周围物质的密度和电离程度，看起来也很正常。根据光谱推断的几乎所有特性，J1120+0641与后期的类星体没有区别。
Bosman表示：“总体而言，新的观测结果只会增加谜团：早期的类星体令人震惊地正常。无论我们在何种波长观测它们，类星体在宇宙的所有时代几乎都是相同的。”不仅是超大质量黑洞本身，它们的供给机制在宇宙仅5%年龄时就已经完全“成熟”了。
通过排除一些替代解决方案，结果强烈支持超大质量黑洞从一开始就具有相当大的质量，天文学术语称为“原始”或“种子大”。超大质量黑洞不是由早期恒星的遗迹形成的，然后迅速变大。它们必须早期就以至少十万太阳质量的初始质量形成，可能是通过大规模早期气体云的坍塌形成的。