2022-09-10 14:53

早期宇宙中发现的十亿太阳质量的黑洞

Seed Black Hole

一个艺术家对类星体Pōniuā ' ena的形成的印象,从一个种子黑洞开始,在大爆炸后1亿年。图片来源:国际双子座天文台/NOIRLab/美国国家科学基金会/AURA/P。Marenfeld

在毛纳克亚发现的早期宇宙中最大的类星体。

迄今为止发现的第二遥远的类星体现在有了一个夏威夷名字。

天文学家通过夏威夷的三个毛纳克亚天文台发现了第二遥远的类星体:W. M.凯克天文台,国际双子座天文台,国家科学基金会NOIRLab的一个项目,以及夏威夷大学拥有的英国红外望远镜(UKIRT)。它是第一颗获得夏威夷本土名字Pōniuāʻena的类星体,在夏威夷语中意思是“看不见的旋转的创造之源,周围充满光辉”。

Pōniuāʻena是迄今为止探测到的第二颗以宇宙学红移大于7.5的距离计算的类星体,它拥有一个黑洞,是同一时代已知的另一颗类星体的两倍大。这些大质量黑洞在如此早期的存在,对当前关于超大质量黑洞如何在年轻宇宙中形成和增长的理论提出了挑战。

这项研究已经被《天体物理学杂志通讯》接受。

Billion Solar Mass Black Hole

一个艺术家对类星体形成的印象Pōniuā ' ena在大爆炸7亿年后成长为一个十亿太阳质量的黑洞。图片来源:国际双子座天文台/NOIRLab/美国国家科学基金会/AURA/P。Marenfeld

类星体是宇宙中能量最大的物体,由它们的超大质量黑洞提供动力。自从发现类星体以来,天文学家一直渴望确定它们在宇宙历史上首次出现的时间。通过在广域天空调查中系统地搜索这些罕见的天体,天文学家在2018年发现了最遥远的类星体(命名为J1342+0928),现在是第二遥远的类星体Pōniuāʻena(或J1007+2115,红移7.515)。从Pōniuāʻena看到的光在宇宙大爆炸7亿年后离开类星体后,在太空中旅行了130多亿年。

凯克天文台和双子座天文台的光谱观测显示,为Pōniuāʻena提供能量的超大质量黑洞比我们的太阳质量大15亿倍

亚利桑那大学斯图尔德天文台的博士后研究助理、该研究的主要作者杨锦义说:“Pōniuāʻena是已知的宇宙中拥有超过10亿个太阳质量黑洞的最远的物体。”

如此大小的黑洞要在宇宙早期形成,需要在大爆炸后大约1亿年后,从一个10,000个太阳质量的黑洞“种子”开始,而不是从一个小得多的黑洞,由单个恒星坍缩而形成。

“宇宙是如何在其历史的早期产生如此巨大的黑洞的?”摄政学院教授、亚利桑那大学天文系副系主任范晓辉说。“这一发现为早期宇宙黑洞形成和增长理论提出了最大的挑战。”

目前的理论认为,恒星和星系的诞生始于大爆炸后约4亿年的再电离时期。第一批巨型黑洞的形成被认为发生在宇宙历史的同一时期。

像Pōniuāʻena这样深入到再电离时代的类星体的发现,是理解再电离过程以及早期超大质量黑洞和大质量星系形成的一大步。Pōniuāʻena对再电离时期星系间(星系间介质)的物质演化提出了新的重要的限制。

Pōniuāʻena就像一座宇宙灯塔。当它的光长途跋涉来到地球时,它的光谱被星系间介质中的扩散气体改变,这让我们能够精确地确定再电离时期发生的时间,”研究报告的合著者、加州大学圣巴巴拉分校物理系教授约瑟夫·亨纳维说。

方法

杨的团队首先发现Pōniuāʻena可能是类星体,在对UKIRT半球巡天等大面积调查和夏威夷大学天文研究所位于毛伊岛的Pan-STARRS1望远镜的数据进行了分析后。

2019年,研究人员使用双子座天文台的GNIRS仪器和凯克天文台的近红外梯级摄谱仪(nres)观测了该物体,确认了Pōniuāʻena的存在。

“双子星座的初步数据表明,这可能是一个重要的发现。我们的团队在几周后就安排好了在凯克的观测时间,完美地利用凯克的NIRES光谱仪观测新类星体,以确认其极高的红移,并测量其黑洞的质量,”合著者亚伦·巴斯说,他是加州大学欧文分校物理和天文学系的教授。

为了纪念它在茂纳克亚山顶的发现,30名夏威夷浸入式学校教师通过著名夏威夷语言专家拉里·木村博士领导的“夏威夷Imiloa天文中心”的阿华和Inoa项目,将这颗类星体命名为Pōniuāʻena。

凯克天文台首席科学家约翰·奥米拉(John O 'Meara)说:“我们认识到,了解宇宙有不同的方式。”“Pōniuāʻena是科学和文化相互联系的一个很好的例子,我们都欣赏不同的知识体系是如何相互丰富的。”

KauʻI Kaina是Kahuku, Oʻahu的一名夏威夷浸入式高中教师,他参与了命名研讨会,他说:“我非常感激能成为这一教育经历的一部分——这是一个难得的学习机会。”“今天,应用这些文化价值观不仅是为了在学校等普通环境中促进夏威夷语的健康发展,也是为了确保该语言在整个宇宙中都能生存下去。”

阅读《早期宇宙中发现的怪物黑洞》了解更多相关研究。

参考

“Pōniuā ' ena:一个发光的z=7.5类星体主办一个15亿太阳质量的黑洞”,作者:杨金毅,王菲格,范晓辉,Joseph F. Hennawi, Frederick B. Davies,岳明浩,Eduardo Banados, Wu Xue-Bing, Bram venemanans, Aaron J. Barth,边富彦,Konstantina Boutsia, Roberto Decarli, Emanuele Paolo Farina, Richard Green,江林华,李江涛,Chiara Mazzucchelli和Fabian Walter, 2020年7月1日,《天体物理学杂志通讯》。DOI: 10.3847/2041-8213/ab9c26 arXiv: 2006.13452

一个布特近红外光谱

近红外梯级摄谱仪(NIRES)是一种棱镜交叉分散近红外摄谱仪,由加州理工学院首席仪器科学家Keith Matthews和Tom Soifer教授领导的团队建造。nirs于2018年投入使用,覆盖了中等光谱分辨率的大波长范围,用于凯克II望远镜,并观测斯皮策和WISE红外空间望远镜发现的极暗红色物体,以及褐矮星、高红移星系和类星体。古巴山天文基金会为这项技术提供了慷慨的支持。

一个关于W. M. Keck天文台

凯克天文台的望远镜是地球上最具科学价值的望远镜之一。位于夏威夷茂纳克亚山顶的两个10米光学/红外望远镜配备了一套先进的仪器,包括成像仪、多目标光谱仪、高分辨率光谱仪、积分场光谱仪和世界领先的激光制导星自适应光学系统。

本文提供的一些数据是在凯克天文台获得的,该天文台是一个私营的501(c) 3非营利组织,由加州理工学院、加州大学和美国国家航空航天局开展科学合作。天文台的建立得益于凯克基金会的慷慨资助。

作者希望承认并承认毛纳基亚山顶在夏威夷土著社区中一直具有非常重要的文化作用和崇敬。我们有幸能在这座山上进行观测。