遥远宇宙中隐藏的致密星系——寻找小红点背后的秘密

Josiah02 · 发表于 2024-9-9 20:11:24

天文学家利用美国宇航局最强大的望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜探索遥远的宇宙，发现了一类星系，即使是最擅长模仿的生物，比如拟态章鱼，也难以对付。这种生物可以模仿其他海洋动物来躲避捕食者。需要变成比目鱼吗？没问题。海蛇？简单。
当天文学家分析韦伯太空望远镜拍摄的第一批宇宙遥远部分的图像时，他们发现了一个前所未见的星系群。这些星系有数百个，被称为“小红点”，颜色非常红，结构紧凑，在宇宙历史的大约 10 亿年中才可见。就像拟态章鱼一样，小红点让天文学家感到困惑，因为它们看起来像不同的天体。它们要么是质量巨大的星系，要么是中等大小的星系，每个星系的核心都有一个超大质量黑洞。
但有一点是肯定的，典型的小红点很小，半径只有银河系的2% ，有些甚至更小。
作为一名研究遥远星系和黑洞的天体物理学家，我对了解这些小星系的本质很感兴趣。它们的光由什么驱动？它们到底是什么？
宇宙中充满了无数星系，韦伯望远镜帮助天文学家研究了其中一些星系。
模仿大赛
天文学家分析望远镜从遥远星系接收到的光，以评估它们的物理特性，例如它们所含恒星的数量。我们可以利用它们的光的特性来研究小红点，并弄清楚它们是否由许多恒星组成，或者它们内部是否有黑洞。
到达我们望远镜的光的波长范围从长无线电波到高能伽马射线。天文学家将光分解成不同的频率，并用称为光谱的图表将其可视化。
有时，光谱包含发射线，即光发射更强烈的频率范围。在这种情况下，我们可以利用光谱的形状来预测星系中是否有超大质量黑洞，并估计其质量。
同样地，研究该星系的X射线发射可以揭示超大质量黑洞的存在。
作为伪装的终极大师，小红点会呈现出不同的天体物理形状，这取决于天文学家选择使用 X 射线、发射线还是其他东西来研究它们。
天文学家迄今为止从小红点的光谱和发射线中收集到的信息导致了两种不同的模型来解释它们的性质。这些物体要么是包含数十亿颗恒星的极其致密的星系，要么是超大质量黑洞的宿主。
两个假设
在仅有恒星的假说中，小红点包含大量恒星——多达1000 亿颗。这大约与银河系（一个更大的星系）中的恒星数量相同。
想象一下，你独自站在一间空荡荡的巨大房间里。这片广阔而安静的空间代表着我们太阳系附近的宇宙区域，那里的恒星稀疏分布。现在，想象一下，同样的房间，却挤满了全中国的人口。
这个拥挤的房间就是密度最大的小红点的核心的感觉。这些天体可能是整个宇宙中最密集的恒星环境。天文学家甚至不确定这样的恒星系统是否真的存在。
然后是黑洞假说。大多数小红点都显示出中心存在超大质量黑洞的明显迹象。天文学家可以通过观察其光谱中的大型发射线来判断星系中是否存在黑洞，这些发射线是由黑洞周围高速旋转的气体产生的。
实际上，天文学家估计这些黑洞的质量与其紧凑的宿主星系相比过大。
黑洞的质量通常约为其所在星系恒星质量的 0.1%。但其中一些“小红点”中有一个几乎与整个星系质量相当的黑洞。天文学家称这些为超大质量黑洞，因为它们的存在违背了星系中通常观察到的常规比例。
动画展示了詹姆斯·韦伯太空望远镜在遥远的宇宙中发现的超大质量黑洞。
不过，还有一个问题。与普通黑洞不同，小红点中可能存在的黑洞没有显示出任何 X 射线发射的迹象。即使在最深、高能图像中，天文学家应该能够轻松观察到这些黑洞，也没有它们的踪迹。
解决方案很少，但希望很多
那么，这些天体物理学奇观是否是拥有太多恒星的大质量星系？或者它们的中心是否拥有质量过大、无法发射足够 X 射线的超大质量黑洞？真是令人费解。
随着更多的观察和理论建模，天文学家开始得出一些可能的解决方案。也许小红点仅由恒星组成，但这些恒星密度极高，紧凑，以至于它们模仿了通常从黑洞中看到的发射线。
或者这些小红点的核心可能潜伏着超大质量——甚至超大质量——黑洞。如果是这样的话，两种模型可以解释 X 射线辐射的缺失。
首先，大量气体可能漂浮在黑洞周围，从而阻挡部分从黑洞中心发出的高能辐射。其次，黑洞吸入气体的速度可能比平常快得多。这一过程会产生不同的光谱，X 射线的数量会比天文学家通常看到的要少。
两个超大质量黑洞聚集气体的温度可视化图。黑洞位于图像中央。最热的区域颜色更红，温度最高可达 1.8 亿华氏度。左侧的黑洞被较冷的气体包围，产生的 X 射线要少得多。
黑洞太大或质量过大这一事实可能不是我们理解宇宙的问题，而是宇宙中第一个黑洞如何诞生的最好迹象。事实上，如果有史以来形成的第一批黑洞质量非常大——大约是太阳质量的 10 万倍——理论模型表明，它们的黑洞质量与宿主星系质量之比在形成后很长一段时间内都会保持很高的水平。
那么，天文学家如何才能发现这些在时间之初闪耀的小光点的真正本质呢？就像我们的伪装大师——章鱼一样，秘密在于观察它们的行为。
使用韦伯望远镜和更强大的X射线望远镜进行进一步的观测，最终将发现天文学家只能归因于两种情况之一的特征。
例如，如果天文学家清楚地探测到黑洞周围发射的X射线或无线电辐射，或红外光，他们就会知道黑洞假说是正确的。
就像我们的海洋朋友可以假装自己是海星一样，最终它会移动它的触手并露出它的本性。

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