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宇宙黎明时发现的微小明亮物体让科学家们困惑不已

2024-06-29 11:26:48 生活来源：

导读美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)最近的发现证实，先前在早期宇宙中探测到的发光物体共产党了人们对星系及其超大质量黑洞起源和演化的...

美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)最近的发现证实，先前在早期宇宙中探测到的发光物体共产党了人们对星系及其超大质量黑洞起源和演化的传统看法。

由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的国际团队利用 JWST 上的 NIRSpec 仪器(RUBIES 调查的一部分)发现了早期宇宙中的三个神秘物体，这些物体形成于大爆炸后约 6 亿至 8 亿年，当时宇宙的年龄只有现在的 5%。他们于 6 月 27 日在《天体物理学杂志快报》上公布了这一发现。

研究小组研究了光谱测量，即物体发出的不同波长光的强度。他们的分析发现了“老”恒星的迹象，这些恒星已有数亿年历史，比年轻宇宙的预期年龄要大得多。

研究人员表示，他们还惊讶地发现，这些物体中还存在巨大超大质量黑洞的迹象，估计它们的质量比我们银河系中的超大质量黑洞大 100 到 1,000 倍。目前的星系增长和超大质量黑洞形成模型都无法预测这两个现象，因为目前的模型认为，星系及其黑洞会在数十亿年的宇宙历史中一起成长。

“我们已经确认，这些天体中似乎挤满了古老的恒星，它们已有数亿年历史，而宇宙的历史只有 6 亿到 8 亿年。值得注意的是，这些天体保留了最早古老星光信号的记录，”宾夕法尼亚州立大学博士后学者、论文第一作者王冰洁说道。

“在非常年轻的宇宙中发现古老恒星是完全出乎意料的。宇宙学和星系形成的标准模型非常成功，然而，这些发光物体并不完全符合这些理论。”

研究人员于 2022 年 7 月首次发现这些巨型物体，当时詹姆斯·韦伯太空望远镜发布了初始数据集。几个月后，该团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，宣布了这些物体的存在。

当时，研究人员怀疑这些物体是星系，但通过光谱进行后续分析，以更好地了解这些物体的真实距离，以及其巨大光线的来源。

研究人员随后利用新数据更清晰地描绘了这些星系的外观和内部情况。研究小组不仅证实了这些物体确实是起源于宇宙初期的星系，还发现了惊人巨大的超大质量黑洞和惊人古老的恒星群的证据。

“这非常令人困惑，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学助理教授、两篇论文的合著者乔尔·莱贾 (Joel Leja) 说。“你可以让这个现象与我们目前的宇宙模型格格不入，但前提是我们在时间之初能想象出一些奇异的、疯狂的快速形成过程。毫无疑问，这是我职业生涯中见过的最奇特、最有趣的物体。”

JWST 配备了透视传感仪器，能够探测到最古老的恒星和星系发出的光。莱贾说，本质上，这架望远镜可以让科学家回望大约 135 亿年前，也就是我们所知的宇宙起源时期。

分析古老光线的一个挑战是，很难区分可能发出光线的物体类型。就这些早期物体而言，它们具有超大质量黑洞和古老恒星的明显特征。

然而，王解释说，目前尚不清楚观测到的光有多少来自每个星系，这意味着这些星系可能是早期星系，它们出乎意料地古老，质量甚至比我们的银河系还要大，形成时间比模型预测的要早得多，或者它们可能是质量更大的正常星系，但有“超大质量”黑洞，质量大约是今天这种星系的 100 到 1,000 倍。

“区分落入黑洞的物质发出的光和这些微小遥远物体中恒星发出的光是一项挑战，”王说。“目前的数据无法区分两者的区别，这为解释这些有趣的物体留下了充足的空间。说实话，还有这么多谜团有待解开，真是令人兴奋。”

除了无法解释的质量和年龄之外，如果部分光线确实来自超大质量黑洞，那么它们也不是普通的超大质量黑洞。它们产生的紫外线光子比预期的多得多，用其他仪器研究的类似物体缺乏超大质量黑洞的特征，例如热尘埃和明亮的 X 射线发射。但研究人员表示，也许最令人惊讶的是它们看起来有多大。

“通常情况下，超大质量黑洞与星系是成对出现的，”莱贾说。“它们一起成长，一起经历所有重大的人生经历。但在这里，我们在一个应该是婴儿的星系内部发现了一个完全形成的成年黑洞。这真的说不通，因为这些东西应该一起成长，至少我们是这么认为的。”

研究人员还对这些星系的极小尺寸感到困惑，它们只有几百光年宽，大约比我们的银河系小 1,000 倍。这些星系中的恒星数量与我们的银河系大致相同——大约有 100 亿到 1 万亿颗恒星——但其体积却比银河系小 1,000 倍。

Leja 解释说，如果把银河系压缩到他们发现的星系的大小，距离我们最近的恒星几乎就在我们太阳系里。银河系中心的超大质量黑洞距离地球约 26,000 光年，距离地球只有 26 光年，在天空中可以看见巨大的光柱。

“这些早期星系的恒星密度如此之高——这些恒星的形成方式是我们从未见过的，形成条件也是我们从未预料到的，形成的时间也是我们从未预料到的，”莱贾说。“无论出于什么原因，宇宙在短短几十亿年后就停止了这样的物体的形成。它们是早期宇宙所独有的。”

研究人员希望进行更多观察，他们表示这将有助于解释这些物体的一些谜团。他们计划通过长时间将望远镜对准这些物体来获取更深的光谱，这将有助于通过识别恒星和潜在的超大质量黑洞中可能存在的具体吸收特征来解开恒星和潜在超大质量黑洞的辐射。

“还有另一种方法可以让我们取得突破，这就是正确的想法，”莱贾说。“我们拥有所有这些拼图碎片，只有我们忽略其中一些碎片正在破碎的事实，它们才能拼合在一起。这个问题可以通过一个天才之举来解决，而迄今为止，我们、我们所有的合作者以及整个科学界都未能解决。”

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