透过类星体窥早期宇宙：从黑暗到再电离时期，超大质量黑洞如何推波助澜？

更多可能拥有喷流的超大质量黑洞的发现引出了一个问题：这些黑洞是怎样在短时间内变得如此巨大的？一张早期宇宙中的超大质量黑洞图片

天文学家们发现了一个由超大质量黑洞驱动的类星体，它可能对早期宇宙“点亮灯光”起到了助力作用。

NASA的Nu-STAR （核光谱望远镜阵列）X射线空间望远镜观测到了这个类星体剧烈的明灭变化现象。该观测结果与NASA的钱德拉X射线空间望远镜对相应正在捕获物质的超大质量黑洞观测数据相吻合。

这个新发现有助于解释在遥远的过去，早期宇宙的“黑暗年代”是如何画上句号，而诸多黑洞的质量是如何迅速增长到数百万乃至数十亿倍于太阳的。

理论上讲，超级黑洞是通过合并较小黑洞和吞噬大量气体尘埃成长得巨大如斯的，而问题在于该进程应当至少需要十亿年方能完成。这意味着在大爆炸之后一百万年内便已存在的超大质量黑洞向天文学家们抛出了一个令他们冥思苦想的难题。

神秘的螺旋星系喷流让天文学家们困惑：“我起初以为我完全搞错了。”

首个被拍摄到的超大质量黑洞喷射出意料之外的伽马射线暴

目前，一个编号为CFHQS J142952+54471(J1429+5447)]的类星体的相关研究正在展开。它距离地球如此遥远，以至于其光线传播到地球需要接近130亿年。这让它正巧呈现出身处那个宇宙早期“难题时代”尾声时的样貌。

“研究中，我们发现这个类星体的喷流很可能直指地球——而我们也从中窥见了它在宇宙创生十亿年时的样貌。”研究团队带头人、耶鲁大学研究员Lea Marcotulli在一篇报告中写道。

这一时间线意味着这个预估约2亿倍太阳质量的超级黑洞正处于名为“再电离时代”的宇宙关键时期。

要有光……

自宇宙爆炸起11亿年的那段时期被称为宇宙黑暗时代。

当宇宙大约380000岁时，它已经冷却下来并允许电子和质子结合并形成原子。自由电子的小事意味着光子（光的基本粒子）不再被无休止地散射，而是能够真正长距离传播。

换言之，宇宙突然之间从混沌转为透明，而当初“第一缕光”的化石碎片至今仍以宇宙微波背景碎片的形式存在。

然而，随着宇宙继续冷却，更多的中性氢原子形成并开始大量吸收光子。这导致宇宙再次陷入黑暗，宇宙黑暗时代就此开启。

本时间线总结了宇宙的演化过程，左侧是大爆炸，右侧是宇宙诞生后约20亿年。随着再电离的发生，第一批恒星和黑洞发出的辐射清除了中性氢的迷雾。（图片来源：NASA/CXC/M. Weiss）

再电离时代指的是大爆炸后6.8亿年至11亿年之间的时期，在此期间，高能光开始将电子从氢离子中剥离，使光能够再次自由传播。

尽管人们认为第一批恒星的紫外光是再电离过程的关键，但科学家长期以来一直怀疑还有其他高能光源也在推波助澜。

于是，早期类星体在此走到了台前。

“再电离时代被认为是宇宙黑暗时代的休止符，”研究团队成员、钱德拉X射线中心科学家Thomas Connor表示。“再电离的确切时间进程和引发因素仍无定论，而活跃中的超大质量黑洞的吸积作用或为关键一手。

类星体让早期宇宙重见天日

类星体出现在超大质量黑洞长啜大嚼周边物质的地方。

这些超大质量黑洞在被称为“吸积盘”，最后将会被黑洞吞噬的扁平物质云中制造出巨大的摩擦力。此外，未被黑洞吞噬的物质会被引向其两极，并被抛射成为一股接近光速的喷流。

这使得像J1429+5447这样的类星体在电磁波谱上的亮度通常超过其周围星系中所有恒星的总和。

因此，它们不仅是研究宇宙黑暗时代终结的理想光学对象，也是招致这一重要宇宙相变的主要嫌疑对象，因为它们可能提供了电离中性氢所需的能量。

Connor及其同事将NuSTAR对J1429+5447的观测结果与钱德拉望远镜对同一类星体的观测结果进行了比较。

本图为钱德拉（右上）和NuSTAR（左下）对同一超大质量黑洞类星体的观测结果。（图片来源：Robert Lea，使用Canva制作）

研究人员发现，J1429+5447的X射线辐射强度在四个月内翻了一番。这对于一个已经存在1656亿个月的宇宙而言已经不过须臾之间，但相对论的时间扭曲效应意味着这个早期超大质量黑洞此番变化的实际时长还要从四周压缩到仅仅两周之内。

“这是因为喷流运动速度接近光速，而爱因斯坦的狭义相对论效应加速并放大了这种变化，”来自耶鲁大学文理学院的研究团队成员Meg Urry解释道。“这种X射线变化的强度和速度都达到了极端水平。这几乎可以肯定是由于喷流指向我们——一个锥形区域，其中的粒子被输送到距离中央超大质量黑洞达一百万光年的地方。”

这一观测继续结果不仅可以帮助科学家解码再电离的真相，还可能是发现更多早期超大质量黑洞并揭示它们如何变得如此巨大的关键。

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“更多可能拥有喷流的超大质量黑洞的发现是引人思考的：这些黑洞是如何在如此短的时间内变得如此巨大的？它们与喷流触发机制之间又有什么联系？”Marcotulli总结道。

该团队于1月14日（周二）在美国马里兰州国家港举行的第245届美国天文学会会议上展示了他们的研究成果，该研究结果同步发表在《天体物理学杂志通讯》上。

BY:Robert Lea

FY:折光

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