詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到迄今为止最遥远的活跃超大质量黑洞
研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了迄今为止最遥远的活跃超大质量黑洞。这个名为CEERS 1019的星系在大爆炸后5.7亿年多一点就存在了，它的黑洞比早期宇宙中发现的任何黑洞都要小。不仅如此，他们还轻松地“抖出”了另外两个黑洞，它们也位于较小的一侧，存在于大爆炸后的10亿年和11亿年。韦伯还发现了11个星系，它们存在于宇宙诞生4.7亿到6.75亿年前。这一证据是由德克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂芬·芬克尔斯坦领导的韦伯宇宙演化早期发布科学（CEERS）调查提供。该项目结合了韦伯非常详细的近红外和中红外图像以及被称为光谱的数据，所有这些都被用于做出这些发现。
深深地凝视着这广阔的风景。它是由詹姆斯·韦伯太空望远镜在近红外光下拍摄的多幅图像拼接而成，而且实际上它正在活跃地跳动。在中心的右边是一团明亮的白色螺旋星系，它们似乎正在相互扭曲。贯穿整个场景的是浅粉色的螺旋星系，看起来像风车在风中旋转。明亮的前景恒星，以蓝色为背景，以韦布突出的八尖衍射尖峰宣布自己的存在。不要错过一个不寻常的景象：在最下面一排，从最右边数第二个正方形。在它的右边缘，一个畸形的蓝色星系被蓝色和粉红色的闪亮星团包围着。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin)
CEERS 1019不仅因其存在的时间久远而引人注目，而且其黑洞的质量相对较小。这个黑洞的质量约为900万太阳质量，远远小于早期宇宙中存在的由其他望远镜探测到的其他黑洞。这些庞然大物的质量通常是太阳的10亿倍以上，而且它们更容易被探测到，因为它们更亮。（它们在积极地“吃掉”物质，当物质旋转到黑洞时，物质就会发光。）CEERS 1019中的黑洞与我们银河系中心的黑洞更相似，后者的质量是太阳的460万倍。这个黑洞也没有之前探测到的更大质量的更大的黑洞那么亮。虽然这个黑洞更小，但它存在的时间要早得多，所以很难解释它是如何在宇宙开始后这么快就形成。研究人员早就知道，宇宙早期一定存在较小的黑洞，但直到韦伯开始观察，他们才能够做出明确的探测。（CEERS 1019可能只会保持这一记录几个星期——于韦伯发现的其他更遥远黑洞的说法目前正在被天文学界仔细审查。）
韦伯的数据实际上充斥着精确的信息，使得这些确认很容易从数据中提取出来。“用这台望远镜观察这个遥远的物体，就像观察我们附近星系中存在的黑洞的数据一样。”领导这项发现的德克萨斯大学奥斯汀分校的丽贝卡·拉森说。“有这么多谱线要分析！”研究团队不仅可以解开光谱中哪些发射来自黑洞，哪些来自其宿主星系，他们还可以确定黑洞吸收了多少气体，并确定其星系的恒星形成率。
研究团队发现，这个星系在吸收尽可能多的气体的同时，也在产生新的恒星。他们通过图片来探究其中的原因。从视觉上看，CEERS 1019看起来是三个明亮的团块，而不是一个单一的吸积盘。“我们不习惯在这么远的距离看到这么多的图像结构。”CEERS团队成员、纽约罗切斯特理工学院的杰汗·卡尔塔特普说。“星系合并可能是推动这个星系黑洞活动的部分原因，这也可能导致恒星形成增加。”
这张图显示了目前宇宙中已知的最遥远的活动超大质量黑洞的探测结果。它们是由太空和地面上的一系列望远镜所发现。最近，詹姆斯·韦伯太空望远镜的宇宙演化宇宙演化早期发布科学（CEERS）调查发现了其中三颗。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
更遥远的黑洞，星系撞击现场
CEERS调查范围很广，还有很多需要探索的地方。缅因州沃特维尔科尔比学院的团队成员戴尔·科切夫斯基和团队很快在数据中发现了另一对小黑洞。第一个在CEERS 2782星系内，最容易辨认。没有任何尘埃遮挡韦伯的视野，因此研究人员可以立即确定它的黑洞在宇宙历史上的存在时间——存在于大爆炸11亿年后。第二个黑洞位于CEERS 746星系，存在时间稍早，存在于大爆炸后10亿年。它明亮的吸积盘，它明亮的吸积盘，一个由气体和尘埃组成的环，围绕着它的超大质量黑洞，部分仍然被尘埃笼罩。科切夫斯基解释道：“中心黑洞是可见的，但尘埃的存在表明，它可能位于一个也在疯狂地释放恒星的星系内。”
与CEERS 1019中的黑洞一样，这两个黑洞也是“轻量级”——至少与这些距离上先前已知的超大质量黑洞相比是这样。它们的质量只有太阳的1,000万倍。“研究人员早就知道早期宇宙中一定存在质量较低的黑洞。韦伯是第一个能如此清晰地捕捉到它们的天文台。”科切夫斯基补充道。“现在我们认为低质量黑洞可能到处都是，等待被发现。”在韦伯之前，所有三个黑洞都太暗而无法被探测到。“使用其他望远镜，这些目标看起来像普通的恒星形成星系，而不是活跃的超大质量黑洞。”芬克尔斯坦补充道。
韦伯灵敏的光谱也让这些研究人员能够测量早期宇宙中星系的精确距离，从而确定它们的年龄。研究团队成员、美国国家科学基金会NOIRLab的巴勃罗·阿拉巴尔·哈罗和德克萨斯大学奥斯汀分校的藤本诚治确定了11个在大爆炸后4.7亿到6.75亿年间存在的星系。它们不仅非常遥远，而且如此多的明亮星系被探测到也是值得注意的。研究人员推测，韦伯望远镜能探测到的星系比目前在这些距离上发现的要少。“被韦伯发回的遥远星系的大量非常详细的光谱所震撼”阿拉巴尔·哈罗说。“这些数据绝对令人难以置信。”
这些只是CEERS调查的首批突破性发现。“到目前为止，对早期宇宙中物体的研究主要是理论性的研究。”芬克尔斯坦说。“有了韦伯，我们不仅可以看到极端距离的黑洞和星系，我们现在可以开始精确地测量它们。这就是这台望远镜的巨大威力。”在未来，韦伯的数据也可能被用来解释早期黑洞是如何形成，修正研究人员关于黑洞在宇宙历史的最初几亿年中如何生长和演化的模型。
《天体物理杂志快报》已经接受了几篇关于CEERS调查数据的初步论文：由拉森领导的《A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang: Identifying a Progenitor of Massive z > 6 Quasars》；由科切夫斯基领导的《Hidden Little Monsters: Spectroscopic Identification of Low-Mass, Broad-Line AGN at z > 5 with CEERS》；由阿拉巴尔·哈罗领导的《Spectroscopic confirmation of CEERS NIRCam-selected galaxies at z≃8−10》以及由藤本诚治领导的《CEERS Spectroscopic Confirmation of NIRCam-Selected z ≳ 8 Galaxy Candidates with JWST/NIRSpec: Initial Characterization of their Properties》。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴ESA和CSA领导的一项国际计划。