科学家发现迄今最遥远黑洞几乎和宇宙同龄

科学家利用位于钱德拉 X 射线天文台和韦伯太空望远镜发现了UHZ1星系中的一个黑洞，诞生于宇宙大爆炸后的4.7亿年，距离地球132亿光年。（X-ray: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Infrared: NASA/ESA/CSA/STScI; Image Processing: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand）

天文学家称，他们刚刚发现了迄今为止最遥远的超大质量黑洞。这是在“宇宙放大镜”或“引力透镜”的协助下观测到的。当一个巨大的天体在其附近产生很大的时空曲率时，就会发生这种情况，这样它周围的光线就会弯曲。新发现为弄明白早期宇宙提供了有用的信息。

该黑洞位于星系团Abell 2744方向的UHZ1星系中。该星系团的年龄约为132亿年。研究团队利用美国宇航局（NASA）钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）和詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）来共同寻找正在增长的黑洞的明显特征。黑洞在宇宙大爆炸后4.7亿年才开始形成，而4.7亿年约为宇宙137亿岁的3%。该星系距离地球132亿光年，比星团本身的距离还要遥远。

天文学家可以看出这个黑洞是如此年轻，因其是如此巨大，而黑洞则随着时间的推移而蒸发。据NASA称，星系中心大多数黑洞的质量约为其宿主星系中恒星总质量的十分之一。这个早期黑洞正在不断增大，其质量与我们的银河系的总质量相当。天文学家以前从未目睹过处于这个阶段的黑洞，研究它可以帮助解释宇宙中第一个超大质量黑洞是如何形成的。11月6日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志上的论文详细介绍了这些发现。

研究合著者、天文学家阿科斯·博格丹（Akos Bogdan ）在一份声明中表示：“我们需要韦伯望远镜去寻找这个极其遥远的星系，钱德拉天文台去寻找其中的超大质量黑洞。”博格丹隶属于马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密森天体物理学中心。

“我们还利用宇宙放大镜来增强检测到的光量，”博格丹补充道。这种放大效应被称为引力透镜。该团队在钱德拉天文台进行了为期两周的X射线观察。他们从星系中看到了强烈的X射线在发射气体——超大质量黑洞的标志。来自星系的光和来自超大质量黑洞周围气体的X射线被来自星系团的热气体和暗物质放大。这种效应就像一个“宇宙放大镜”，它增强了JWST探测到的红外光信号，使钱德拉能够看到微弱的X射线源。

“黑洞一旦形成，其生长速度就受到物理限制，但那些天生质量更大的黑洞则占了先机。这就像种植一棵树苗一样，树苗不要多久就能长成一棵大树，这比种下一棵树的种子要快很多，”研究合著者、普林斯顿大学天文学家安迪·古尔丁（Andy Goulding）在一份声明中说。

观察这一现象能帮天文学家回答为什么一些超大质量黑洞在大爆炸后很快就能积累巨大的质量。关于这些超大质量黑洞的起源有两种相反的理论——“轻种子理论”和“重种子理论”。前者认为，一颗恒星会坍缩成黑洞，然后随着时间的推移成长为超大质量黑洞;而后者则认为，一个巨大的气体云（而非单个恒星）坍缩并凝结形成超大质量黑洞。这个新发现的黑洞可以证实后者，即“重种子理论”。

研究合著者、耶鲁大学理论天体物理学家普里亚姆瓦达·纳塔拉詹（Priyamvada Natarajan）在一份声明中表示：“我们认为这是首次发现超大黑洞，也是截止目前获得的最好证据，表明一些黑洞是由巨大的气体云所形成的。我们第一次看到一个短暂的阶段，其中一个超大质量黑洞在缩小之前其重量等同于其所在星系中的所有恒星。”

该团队计划利用这些数据以及来自韦伯及其它太空望远镜的更多数据来更好地了解早期宇宙。