“小紅點”星系中的超大質量黑洞比應有的大1000倍，天文學家不知道為什麼

使用（JWST），天文學家在早期宇宙中發現了遙遠的、質量過大的超大質量黑洞。與容納黑洞的星系中恆星的質量相比，黑洞的質量似乎太大了。

在現代宇宙中，對於距離我們很近的星系,它們的質量往往等於其宿主星系恆星質量的 0.01% 左右。因此，星系中每 10,000 個太陽質量的恆星，就有大約一個太陽質量的中心超大質量黑洞。

奧地利科學技術研究所 (ISTA) 科學家、團隊負責人喬里特·馬蒂 (Jorryt Matthee) 告訴 Space.com：“與容納它們的星系的恆星質量相比，這些超大質量黑洞的質量非常高。” “從表面上看，我們的測量結果表明超大質量黑洞質量是我們研究的星系中恆星質量的 10%。”

“在最極端的情況下，這意味著黑洞的重量是原來的 1000 倍。”

這一發現可能使天文學家距離解開質量數百萬甚至數十億倍太陽的超大質量黑洞如何在早期宇宙中如此迅速增長這一謎團又近了一步。

“我不會說這一發現‘令人不安’，而是‘有希望’，因為巨大的差異表明我們即將學到新的東西，”馬蒂補充道。

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故事從小紅點開始

自 2022 年夏天 JWST 開始將數據傳回地球以來，這台耗資 100 億美元的望遠鏡幫助天文學家完善了對早期宇宙的理解。

其中包括在宇宙年齡不到十億年時發現了數百萬太陽質量的超大質量黑洞。這是有問題的，因為科學家估計，逐漸變大的黑洞的合併鏈以及對周圍物質的貪婪吞噬導致黑洞達到超大質量，被認為需要超過十億年的時間。

馬蒂說：“2023 年和 2024 年，我們和其他團隊在 JWST 的第一批數據集中發現了早期宇宙中先前隱藏的活動星系核種群。” “我們從這些物體看到的光，特別是較紅的光，源自超大質量黑洞周圍的吸積盤。

“這些物體被稱為‘小紅點’，因為它們在 JWST 圖像中就是這樣出現的。”

目前，這種早期銀河人口非常令人興奮，儘管人們對此知之甚少。例如，在早期宇宙中，與之前從地球上看到的由超大質量黑洞驅動的活躍星系核群相比，小紅點的數量似乎要多得多類星體。

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馬蒂說：“這些小紅點還顯示出一些非常顯著的特性，例如 X 射線發射的微弱，這對於活動星系核來說非常不尋常，而且紅外發射也很不尋常。” “由於這些複雜性，我們正在努力解釋我們從小紅點觀察到的光，這意味著研究它們的特性非常困難。”

這就是 Matthee 和同事的新工作的用武之地。利用 JWST 第 2 年（第 2 週期）“所有小事 (ALT)”調查的數據集，該團隊構建了天空特定區域中所有星系的精確 3D 地圖。

“在該區域內，我們已經識別出七個小紅點，與之前的研究類似，但現在我們已經能夠在 3D 星系圖中比較這些小紅點的位置，”Matthee 說。

該團隊的小紅點距離我們很遠，以至於它們的光已經傳播到我們這里大約 125 億年了。他們聚集在所謂的 宇宙星系網，其位置至關重要。

小紅點星係是宇宙網上的碎片

星系在宇宙網中的位置取決於星系的類型。在過於密集的區域中發現了更進化的巨大星系，例如網絡各股連接的節點。較年輕且質量較低的星系往往出現在宇宙網的密度較低的區域，沿著遠離節點的各個鏈的長度。

“我們發現這些小紅點所處的環境類似於低質量、年輕的星系，”馬蒂說。 “這意味著小紅點星係也是低質量的年輕星系。”

這些小紅點星系含有活動星系核這一事實提供了證據，表明早期黑洞正在恆星質量僅為太陽一億倍左右的星系中活躍地生長。

對此的一種可能的解釋是，早期宇宙中的超大質量黑洞比當今宇宙中的超大質量黑洞的形成和生長效率要高得多。這可能是由於更多周圍氣體的快速消耗 和問題。

“在我看來，最可能的解釋是早期宇宙中星系的高氣體密度孕育了超大質量黑洞的極快增長，”馬蒂說。 “這些密度同時導致高恆星密度，從而通過促進殘餘黑洞的失控碰撞來促進超大質量黑洞的形成。”

如果這是真的，那麼星系中恆星和超大質量黑洞的形成有著內在的聯繫，這些過程相互依賴。儘管超大質量黑洞在早期星系中生長得更快，但恆星的形成也趕上了，導致了今天看到的 1:100 的質量比。

這還沒有證實其他超大質量黑洞生長解釋的快速生長理論，例如這些宇宙泰坦是由巨大的氣體和塵埃雲直接塌陷產生的巨大黑洞種子生長出來的。

然而，馬蒂補充說，當考慮相互競爭的理論時，理論學家現在很難繞過低主星系質量。

馬蒂解釋說，該團隊和更廣泛的天文學界的下一步是消除這樣一種可能性：他們發現的恆星質量/黑洞質量比不是測量不准確或選擇偏差的結果，這種選擇偏差可能有利於最活躍的超大質量黑洞。

這可能會涉及發現更多的小紅點星系，而 JWST 無疑將成為這一搜尋的核心。

“JWST 之所以重要有兩個主要原因：沒有它，我們就不會發現那些微弱活動星系核的種群，”馬蒂總結道。 “此外，如果沒有 JWST，我們就無法製作準確的星系分佈 3D 地圖，並用它來推斷擁有微弱活動星系核的星系的特性。

“目前這是一個非常令人興奮的研究領域！”

該團隊的研究尚未在同行評審的期刊上發表。它已發佈在論文存儲庫網站上arXiv.

最初發佈於太空網。