天文学家发现一颗本不应该存在的耀星

天文学家发现了一条关键线索，有助于了解超大质量黑洞是如何在早期宇宙中迅速成长的。 他们发现的是一颗耀星，这是一种罕见而强大的活动星系核（AGN），距离我们如此遥远，以至于它的光线经过了129亿年的传播才到达我们这里。

巴尼亚多斯及其同事发现的明亮、非常早期的活动星系核的艺术印象，它对宇宙历史最早十亿年左右的黑洞成长具有根本性的影响。 资料来源：NSF/AUI/NSF NRAO/B. 萨克斯顿

这颗类星体的存在表明，在早期宇宙中还存在着许多类似的类星体，形成了一个具有强大粒子喷流的隐蔽AGN群体。 这一发现意义重大，因为有喷流的黑洞被认为比没有喷流的黑洞生长得快得多。 了解这些早期的类星体有助于解释一些黑洞是如何在宇宙大爆炸后这么快就变成超大质量的。

许多星系的中心都有活动星系核（AGN），它们是宇宙中最明亮的天体。 它们的巨大能量输出来自超大质量黑洞，黑洞通过一种叫做吸积的过程将周围的物质吸入其中。 这个过程是物理学中已知的将物质转化为能量的最有效方法，它让AGN比数百、数千甚至更多星系中的所有恒星加在一起还要闪亮，而其所在的空间体积却比我们的太阳系还要小。

至少有 10%的 AGN 会产生强大的粒子喷流，即从黑洞周围向相反方向射出的高能粒子流。 这些喷流是由吸积盘（黑洞周围的漩涡气体）中的磁场塑造和引导的。

一种特殊类型的 AGN 被称为"耀星"，只有当它的一个喷流恰好直指地球时，我们才能看到它--这种排列方式极为罕见。 这使得耀斑显得格外明亮，就像直接盯着一个强光手电筒一样。 此外，耀星还以亮度变化快而著称，有时在短短几小时甚至几分钟内就会发生变化。 这些波动是由吸积盘中的湍流活动以及喷流磁场和带电粒子之间复杂的相互作用造成的。

这项新发现是马克斯-普朗克天文学研究所专门研究宇宙历史最初十亿年的小组组长爱德华多-巴尼亚多斯（Eduardo Bañados）和一个国际天文学家小组系统搜索早期宇宙中活跃星系核的结果。 由于光线到达我们的视线需要一定的时间，所以我们看到的遥远天体是数百万甚至数十亿年前的样子。

对于更遥远的天体来说，由于宇宙膨胀，所谓的宇宙学红移会将它们的光线移到比发出光线的波长更长的波长上。 巴尼亚多斯和他的团队利用了这一事实，系统地搜索那些被红移到甚至在通常的可见光（本例中为暗能量遗留巡天）中都无法显示，但在射电巡天（3 GHz VLASS 巡天）中却是明亮光源的天体。

在符合这两项标准的 20 个候选者中，只有一个名为 J0410-0139 的候选者符合在射电机制中显示出显著亮度波动的额外标准--这增加了它是一颗耀星的可能性。 研究人员随后进行了更深入的研究，使用了大量的望远镜，包括使用ESO的新技术望远镜（NTT）进行的近红外观测，使用ESO的超大望远镜（VLT）进行的光谱观测，使用LBT、凯克望远镜之一和麦哲伦望远镜进行的其他近红外光谱观测、 欧空局的XMM-牛顿和美国宇航局的钱德拉太空望远镜拍摄的X射线图像，ALMA和NOEMA阵列进行的毫米波观测，以及美国国家射电天文台的VLA望远镜进行的更详细的射电观测，以确认该天体是一个AGN，特别是一个炽热星。

观测还得出了 AGN 的距离（通过红移），甚至发现了 AGN 所在星系的踪迹。 来自该活动星系核的光经过了129亿年才到达我们这里（z=6.9964），携带着关于129亿年前宇宙的信息。

巴尼亚多斯说："J0410-0139 是一颗耀星，是一个碰巧直接指向地球的喷流，这一事实具有直接的统计意义。 打个现实生活中的比方，想象一下你在报纸上看到有人中了一亿美元的彩票。 鉴于这种中奖是多么罕见，你可以立即推断出，肯定还有很多人参加了那次抽奖，但没有中得如此高额的奖金。 同样，发现一个喷流直接指向我们的 AGN 意味着，在当时的宇宙历史时期，一定有很多 AGN 的喷流并不指向我们。"

长话短说，用西尔维亚-贝拉迪塔（Silvia Belladitta）的话来说，她是 MPIA 的博士后，也是这篇论文的共同作者："哪里有一个，哪里就有一百个"。

来自上一个最遥远耀斑记录保持者的光到达我们这里（z=6.1）的时间少了大约 1 亿年。 从我们回溯到 120 多亿年前这一事实来看，多出的 1 亿年似乎很短，但它们却有着至关重要的区别。 这段时间正是宇宙瞬息万变的时期。

在这一亿年里，超大质量黑洞的质量可以增加一个数量级。 根据目前的模型，AGN 的数量在这一亿年里应该增加了五到十倍。

发现 128 亿年前有这样一颗耀星并不出人意料。 而发现在129亿年前就有这样一颗耀星，就完全是另一回事了。

在那个特殊的早期时期，出现了一大批具有喷流的AGN，这对宇宙历史和星系中心超大质量黑洞的成长有着重要的影响。 与没有喷流的黑洞相比，AGN具有喷流的黑洞可能会更快地获得质量。

与人们普遍认为的相反，气体很难落入黑洞。 气体自然会绕黑洞运行，就像行星绕太阳运行一样，当气体越来越接近黑洞时，速度也会越来越快（"角动量守恒"）。 为了落入黑洞，气体需要减速并失去能量。 与粒子喷流相关的磁场与气体漩涡盘相互作用，可以提供这样一种"制动机制"，帮助气体坠落。

这意味着新发现的结果很可能成为未来任何早期宇宙黑洞成长模型的基石：它们意味着在129亿年前存在大量的活动星系核，这些星系核具有喷流，因此具有相关的磁场，可以帮助黑洞以相当快的速度成长。

编译自/ScitechDaily