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对于早期宇宙来说“太大”的超大质量黑洞可能毕竟没有那么大
詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到的对于早期星系而言太大的超大质量黑洞可能根本没有那么大。
来源:Space.com: NASA，太空探索和天文新闻詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 对早期宇宙进行观测的四年来，创造了一个又一个科学里程碑。然而，这座耗资 100 亿美元的望远镜也给天文学家带来了一个巨大的问题——字面上的问题。
JWST 经常在早期宇宙中发现超大质量黑洞，这些黑洞的质量是太阳的数亿倍，在宇宙 10 亿年前就无法发展到如此巨大的尺寸。与它们的小型宿主星系的质量相比，这些宇宙泰坦的质量也太大了，这挑战了天文学家对现代宇宙中通常观察到的超大质量黑洞与其星系家园之间关系的了解。
现在，新的研究表明这毕竟不是一个大问题。这项研究背后的团队认为，这完全是一个视角问题，这些早期的超大质量黑洞并不像科学家估计的那么可怕。
罗马意大利国家天体物理研究所 (INAF) 天文观测站的团队负责人亚历山德罗·特林卡 (Alessandro Trinca) 告诉 Space.com：“我们估计质量约为一到一千万个太阳质量，而之前推断的质量为数千万或数亿。” “这些仍然是巨大的物体，可与银河系中心的四百万个太阳质量的黑洞相媲美，或者大几倍，但它们位于超大质量黑洞群体的低端，而不是最极端的例子之一。
“重要的是，这些质量与它们所在的小星系更加一致。”
这个谜题的答案可能在于缺失的 X 射线
在思考早期宇宙中“超大质量”黑洞之谜时，特林卡和同事发现了与这些物体相关的另一个谜题。
为了达到这样的大小，这些黑洞必须贪婪地吞噬周围的气体和尘埃。这种进食的黑洞以及它们周围的气体和尘埃的宇宙储藏室通常是极其明亮的 X 射线发射体。但 JWST 观测到的早期宇宙中的超大质量黑洞似乎并非如此。研究小组观察了 14 个 X 射线沉默的超大质量黑洞，发现还有另一种方法来考虑这种缺乏发射的情况。
“即使在美国宇航局钱德拉 X 射线天文台的非常深入的观测中，X 射线中也几乎没有检测到它们，”特林卡说。 “我们将缺乏 X 射线的情况视为一条线索，而不是一个问题。通过将其纳入我们的分析，我们发现这些物体的质量可能比之前估计的要小得多。这使得它们的估计质量与其宿主星系的特性更加一致。”
这使得特林卡和团队得出了另一个结论：这些早期的超大质量黑洞可能没有之前理论的那么大，但它们的吞噬速度比想象的还要快。
如果超大质量黑洞会释放出大量 X 射线，那么贪婪地吞噬黑洞可能会发出“安静”的 X 射线似乎有点违反直觉。
Trinca 解释说，这种明显的矛盾与黑洞以极高的速率吸积物质时发生的情况有关。黑洞周围的气体盘变得几何厚，形成一个环形结构，沿着旋转轴有一个狭窄的漏斗。通常会产生强 X 射线的热内部区域被这个厚圆盘包围。
外出就餐爱丁顿
该团队的研究发表在《天文学与天体物理学》杂志六月版上。
“当 X 射线逸出时，它们会被周围的气体反复散射，在出现之前失去能量。因此，黑洞在 X 射线中看起来比我们通常预期的要暗淡得多，”特林卡继续说道。 “因此，在这种情况下，缺乏 X 射线并不意外；这实际上是模型的预测。
“此外，这种非常高的进食量可能有助于解释为什么当宇宙只有几亿年的时候这些黑洞就已经增长到了太阳质量的数百万倍。”
超大质量黑洞在早期宇宙中如此令人不安的原因之一是它们通过消耗物质并通过与其他黑洞合并来生长。然而，黑洞或任何天体聚集或“吸积”物质的速度是有限的。
这被称为“爱丁顿极限”，它的存在是因为物体积累的物质越多，它发出的辐射就越多。因此，当一个正在供给的黑洞周围的圆盘聚集了足够的质量来供给一个快速增长的黑洞时，它应该会发出如此多的辐射，以至于它会推开更多的物质，从而阻止它被补充。
最终这会切断黑洞的食物供应并限制其生长。然而，这项研究表明超大质量黑洞可以进入短暂的“超级爱丁顿”进食阶段。
“如果这些黑洞的质量比之前估计的小三十倍，那么在可用时间内积累的质量就会少得多，它们的增长历史也会变得不那么极端，”特林卡说。 “这幅图画不需要数亿年持续、不间断的增长，而是成为非常快速吸积的较短事件之一，这正是我们在早期宇宙中富含气体且动态活跃的星系中所期望的行为。”
证实该团队关于超大质量黑洞极端进食的理论需要天文学证据，但至少目前很难获得。
“最直接的测试是研究那些吸积速度非常快但红移较低的类似天体，这样我们就可以更详细地观察和描述它们的环境。然而，这样的物体相当罕见。”Trinca 说。“对于 JWST 观测到的更远距离的星体，未来的任务提供更深入的 X 射线观测和改进的光谱将至关重要，并且有可能检测到这种情况预测的微弱 X 射线发射。”
INAF 研究人员补充说，从长远来看，在逐渐早期的宇宙时代获得黑洞质量的直接和独立测量将为该团队的理论提供最有力的检验。目前，这项研究是一个引人注目的例子，说明科学家在没有检测到某些东西时而不是在做出积极检测时可以做什么。
“有趣的是看看可以从我们没有观察到的东西中提取多少信息，”Trinca 总结道。 “不检测可能看起来是信息量最少的观察类型，但在这种情况下，X射线的缺失提供了强有力的限制，并且比单独检测更有助于定义物理图像。”