巨大黑洞的发现,对认识早期宇宙有何帮助?

来源:科普中国发布时间:2019-03-29

130亿光年外的巨大黑洞,是怎么观测到的,有什么意义?

  本文受访专家:中国科学院国家天文台 苟利军研究员 

    

  据新华社报道,日本爱媛大学参与的一个国际团队日前宣布,他们利用日本“昴星团”望远镜发现了83个约130亿光年外的巨大黑洞。这表明,宇宙诞生初期就存在大量的巨大黑洞,而且质量和我们临近宇宙中的黑洞质量差不多,可以达到几十亿个太阳质量。

来自距离地球130.5亿光年的超大质量黑洞所在类星体发出的光(图片来源:https://subarutelescope.org 

    

  巨大黑洞是如何被观测到的? 

  “昴星团”望远镜隶属于日本国家天文台,也是该组织最大的望远镜设备。它设在美国夏威夷Mauna kea山顶上,以著名的疏散星团——昴宿星团命名,是一台口径为8.2米的大型反射式光学望远镜。它采用零膨胀玻璃ULE制作,重约22.8吨,但由于采用了薄镜面技术,厚度只有20厘米,镜面误差不超过14纳米,并且安装了自适应光学系统,从而降低大气湍流对于观测的影响。 

昴星团望远镜(图片来源:https://subarutelescope.org 

  日本爱媛大学14日发布公报说,该校和美国普林斯顿大学等机构研究人员这次利用昴星团的hyper Suprime-Cam (HSC; 超主焦点相机)巡天数据,科学家们首先从这些数据中选取了一些候选体,之后,利用三个不同的望远镜(位于夏威夷的昴星团望远镜、西班牙加纳利群岛上的GTC望远镜、和位于智利的双子座南望远镜)对这些候选体在拍摄了相应的光谱之后确认了它们的距离。 

  这次一共发现了大约100个位于约130亿光年外的类星体,其中83个类星体是首次被观测到,还有17个类星体是再次被观测到。 



类星体艺术想象图(图片来源:https://subarutelescope.org 

  类星体是天文学家对一类天体的称呼,类星体通常包括一个中央黑洞和周围的星云,由于黑洞吞噬周围物质释放大量能量,所以它们在宇宙中显得非常明亮,人们可通过地球上的望远镜观测到它们。  

  研究显示,这些巨大黑洞的质量在太阳的100万倍到几十亿倍甚至上百亿之间。研究小组称,这项发现表明巨大黑洞在超远宇宙中大量存在。 

  要知道,根据目前的研究,我们认为宇宙诞生于约138亿年前,这意味着,在宇宙诞生仅8亿年后,就诞生了大量巨大的黑洞。研究人员对此感到非常吃惊,认为研究这些黑洞将有助于探索宇宙的早期历史。 

    

  这些巨大黑洞对我们认识早期宇宙究竟有何帮助? 

  带着这个问题,我们采访了中国科学院国家天文台研究员、恒星级黑洞研究小组负责人苟利军 

  苟利军研究员解释说,这次观测到的古老、巨大的黑洞对我们理解宇宙的演化以及黑洞的产生都会有极大的帮助。 

  我们的宇宙在大爆炸之后的演化过程当中,会经历一个从黑暗时期向再电离时期的转变过程:原来处于中性状态的氢原子在光子的作用之下变成了电离态。 

  可以说,再电离过程是整个宇宙演化历史当中的一个里程碑,但这个过程大部分的能量究竟是来自于哪里呢?是第一代恒星,第一代星系或者超大质量黑洞?一个很有吸引力的说法是,早期宇宙的众多类星体所产生的强烈辐射导致了宇宙的再电离过程,而这次的发现,就给这种说法提供了一个直接的观测证据。 

  与此同时,这些位于宇宙早期的超大质量黑洞也向超大质量黑洞的形成理论提出了挑战。 

     天文学家在研究黑洞时,根据它们的质量,将它们大致分成三类。100个太阳质量左右的黑洞,被称为恒星质量黑洞;几十万个太阳质量到百亿个太阳质量的黑洞,被称为超大质量黑洞;介于两者之间的,是中等质量黑洞。 

巨大黑洞艺术想象图(来源:https://www.sciencefocus.com 

  这次发现的83个巨大黑洞,就是超大质量黑洞。目前学界认为,这些超大质量的黑洞,是通过小质量黑洞慢慢地合并,然后再通过吸积气体的方式形成的。这是一个从小到大的成长过程,可以说是“一口一口吃成胖子”。 

  但如果按照这个理论的话,那宇宙的最早期其实就不太可能存在这么多的此类超大质量黑洞。 

  不过,关于超大质量黑洞的形成,也还有其他理论,比如,认为有些气体在宇宙最早期直接就坍缩成了几十万或者上百万个太阳质量的黑洞,可以说是“一生下来就是胖子”。 

  现在昴星团望远镜的新发现,可以说是为后一种理论提供了极好的支持。或许超大质量黑洞的形成是多通道的,多种形成渠道同时并存。 

  目前,该研究团队正在继续寻找更早期的超大质量黑洞,期望能够揭示第一个超大质量黑洞在宇宙中诞生的年代。 

    

  参考内容: 

  1.  文中新闻来源:《新研究发现宇宙初期存在大量巨大黑洞》 

  http://www.xinhuanet.com/tech/2019-03/15/c_1124240639.htm 

  2.  昴星团望远镜官网:https://subarutelescope.org 

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