J0313-1806类星体与早期宇宙黑洞形成有关吗？类星体是什么？

　　类星体在大爆炸之后仅6.7亿年就完全形成，并由已知的最早的超大质量黑洞提供动力，可洞悉早期宇宙中巨大星系的形成。由亚利桑那大学领导的一组天文学家观测到距离地球130.3亿光年的发光类星体，是迄今为止发现的最遥远的类星体。类星体的历史可追溯到大爆炸之后的6.7亿年，当时宇宙仅是其当前年龄的5％，类星体拥有一个超大质量的黑洞，相当于16亿个太阳的总质量。

　　除了是最遥远且最早的类星体，这个物体还是同类物体中第一个显示出过热气体以五分之一光速从黑洞周围逸出的证据。除了揭示强类星体驱动的风之外，新观测还显示了类星体（正式名称为J0313-1806）所在的宿主星系中强烈的恒星形成活动。

　　研究人员将在2021年1月11日至15日之间举行的美国天文学会第237次会议的新闻发布会和科学演讲期间，介绍他们的发现，这些发现已被发表在《 天体物理学杂志快报》上。

　　三年前发现了婴儿宇宙中类星体的先前记录，亚利桑那大学团队也为这一发现做出了贡献。类星体被认为是由于超大质量黑洞吞没了周围的物质（例如气体甚至整个恒星），导致了过热物质的漩涡（称为吸积盘）在黑洞周围旋转。由于涉及巨大的能量，类星体是宇宙中最明亮的光源之一，通常比它们的宿主星系更耀眼。

　　尽管J0313-1806比以前的记录保持者仅相距2000万光年，但新的类星体包含一个超大质量的黑洞，其重量是其两倍。这标志着宇宙学的重大进步，因为它对早期宇宙中黑洞的形成提供了最强的约束。

　　该论文的主要作者，UArizona管家天文台的哈勃研究员Feige Wang说：“这是超大质量黑洞如何影响其周围星系的最早证据。” “通过观察距离较远的星系，我们知道这是必须发生的，但我们从未见过如此早在宇宙中发生。”

　　在宇宙还很小的时候，类星体已经在其黑洞中积累了数百万甚至数十亿个太阳质量，这对科学家试图解释它们是如何在没有时间的情况下如何存在构成了挑战。关于黑洞形成的一种普遍接受的解释是，一颗恒星在生命尽头以超新星的形式爆炸并坍塌成黑洞。当这些黑洞随时间合并时，理论上它们可以成长为超大质量的黑洞。但是，就像每年要花费一美元来建立退休基金需要很多人一生一样，早期宇宙中的类星体有点像学步百万富翁。他们一定是通过其他方式获得了质量。

　　新发现的类星体提供了一个新的基准，排除了两种目前关于超大质量黑洞如何在如此短的时间尺度内形成的模型。在第一个模型中，大质量的恒星主要由氢组成，缺乏组成后来的恒星的大多数其他元素，包括金属，在年轻的星系中形成了第一代恒星，并为新生的黑洞提供了食物。第二个模型涉及密集的星团，这些星团从一开始就坍塌成一个巨大的黑洞。

　　根据发现它的团队，类星J0313-1806拥有一个黑洞，该黑洞太大，无法用上述情况解释。研究小组计算得出，如果黑洞的中心早在大爆炸之后就形成了1亿年，并且以尽可能快的速度增长，那么它仍然必须至少有10,000个太阳质量。

　　“这告诉你，无论做什么，这个黑洞的种子一定是通过不同的机制形成的。”亚利桑那大学天文学系副主任范晓辉说。“在这种情况下，涉及大量原始冷氢气的气体直接塌陷到种子黑洞中。”

　　因为这种机制不需要成熟的恒星作为原料，所以它是唯一一种在类星体如此早期就允许类星体J0313-1806的超大质量黑洞增长到16亿太阳质量的机制。这就是使新记录类星体如此有价值的原因。

　　他说：“一旦您降低了红移，所有的模型都可以解释那些距离较远，质量较小的类星体的存在。” “为了使黑洞增长到我们在J0313-1806中看到的大小，它必须以至少10,000太阳质量的种子黑洞开始，并且只有在直接坍塌的情况下才有可能。”

　　根据当前的星系演化模型，超大质量黑洞在其中心生长可能是星系最终停止制造新恒星的主要原因。类星体的作用就像是一个具有宇宙比例的喷灯一样，会猛烈地轰炸周围的环境，有效清除其宿主星系中的大量冷气体，而冷气体则是形成恒星的原材料。

　　通过测量类星体的光度，王的团队计算出，在其中心的超大质量黑洞平均每年摄入相当于25个太阳的质量，这被认为是其高速热等离子体风以相对论速度吹进其周围星系的主要原因。相比之下，银河系中心的黑洞大部分已经休眠。

　　虽然银河系每年以大约一个太阳质量的悠闲速度形成恒星，但J0313-1806却在同一时期产生了200个太阳质量。王说：“这是一个相对较高的恒星形成率，类似于在其他类似年龄的类星体中所观察到的，它告诉我们宿主星系的增长非常快。”

　　范补充说：“这些类星体可能仍在建立其超大质量黑洞的过程中。” “随着时间的流逝，类星体的流出物加热并把所有气体排出银河系，然后黑洞不再有东西可以吃了，并且会停止增长。这是这些最早的大规模星系及其类星体如何生长的证据。”

　　研究人员希望通过未来的观察，发现有关类星体秘密的更多信息，尤其是目前计划于2021年发射的NASA的James Webb太空望远镜。王说：“使用地面望远镜，我们只能看到一个点光源。” “未来的观察可能使更详细地解决类星体成为可能，显示类星体的流出结构以及风向其星系延伸的距离，这将使我们对它的演化阶段有一个更好的认识。”