钱德拉发现最遥远的黑洞

NASA钱德拉X射线天文台的数据揭示最遥远的黑洞。
Credits: X-ray: NASA/CXO/Pontificia Universidad Catolica de Chile/F. Vito; Radio: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); optical: Pan-STARRS

天文学家利用钱德拉X射线天文台发现了一个早期宇宙的黑洞，它被大量气体掩盖，是迄今为止发现的最远的黑洞。这个黑洞存在于大爆炸后8亿年（当今宇宙年龄为138亿年），这是人们发现的第一个迹象，证明宇宙历史早期存在这样的黑洞。

超大质量黑洞的质量是太阳的数百万到数十亿倍，通常通过从周围物质盘中吸取物质来增长。快速的增长会导致黑洞周围一小片区域内产生大量辐射。科学家将这种非常明亮、紧凑的光源称为“类星体（quasar）”。

根据目前的理论，在黑洞的早期成长阶段，一团密集的气体将物质输送到黑洞周围的圆盘中，将类星体大部分的明亮光线从我们的视野中隐藏起来。随着黑洞快速消耗物质并变得更加庞大，气体云被逐渐耗尽，我们就能观测到黑洞周围明亮吸积盘了。

“在这种‘隐形阶段’找到类星体是极具挑战性的，因为它们的大部分辐射都被吸收，目前的仪器无法检测到，”来自智利天主教大学（位于智利圣地亚哥）的研究员Fabio Vito说道，“多亏了钱德拉和X射线穿透气体云的能力，我们终于做到了。”

这一新发现来自对类星体PSO167-13的观测，最初由夏威夷的光学望远镜Pan-STARRS发现。光学望远镜的观测发现，当宇宙年龄不到10亿年时，大约有200个类星体已经很明亮了。这些望远镜只能有效地发现无遮掩的黑洞，因为薄薄的气体和尘埃云就可以削弱仪器检测到的辐射。由于PSO167-13是这些观测之一，天文学家预计它未被遮挡。

[rml_read_more]

Vito的团队通过使用Chandra观测PSO167-13以及其他九个类星体来测试这个想法。经过16个小时的观测后，仅从PSO167-13中检测到三个X射线光子，均具有相对较高的能量。由于低能X射线比高能X射线更容易被吸收，可能的解释是，类星体被气体高度遮挡，因此我们只能检测到高能X射线。

来自宾夕法尼亚州立大学、该文论的共同作者Niel Brandt说：“这完全是一个惊喜，就像我们期待一只飞蛾，却找到了一个茧。正如预期，我们观测到的其他9个类星体都未被遮挡。”

关于PSO167-13的一个有趣的转折是，它所在的星系有一个紧密的伴星系（companion galaxy），之前被智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（Atacama Large Millimeter Array，ALMA）和哈勃太空望远镜所观测到。由于它们距离太近，而且X射线源又很微弱，该团队无法确定新发现的X射线是来自类星体PSO167-13还是边上的伴星系。

如果X射线来类星体，那么天文学家需要解释为什么类星体在X射线中看起来非常隐晦，而在可见光下则不然。一种可能性是，在进行光学和X射线观测所间隔的三年中，类星体被遮蔽的程度大幅度并快速增加。

另一方面，如果X射线来自伴星系，那么说明我们在PSO167-13附近探测到了一个新的类星体。这将是我们迄今为止发现的最遥远的类星体对（quasar pair）。

无论是哪种情况，钱德拉探测到的类星体来自大爆炸后8亿年，将是人们看到的最远的类星体。在此之前，最早的记录是13亿年。

研究团队计划跟进更多观测以了解更多信息。

来自智利天主教大学、千禧天体物理学研究所（Millennium Institute of Astrophysics，MAS）的成员、论文共同作者Franz Bauer表示，“通过更长时间的钱德拉观测，我们将能够更好地估计黑洞被遮蔽的程度，并且识别出X射线源究竟是来自类星体还是伴星系。”

研究团队还计划寻找更多高度隐蔽的黑洞。

“我们怀疑早期宇宙中的大多数超大质量黑洞是高度隐蔽的：所以探测并研究它们、了解它们如何能够如此迅速地增长到十亿个太阳质量，是至关重要的，”来自意大利国家天文物理研究所（INAF，位于意大利博洛尼亚）、共同作者Roberto Gilli说。

研究结果的论文发表在《天文与天体物理学报（Astronomy and Astrophysics）》，可在线获取。NASA马歇尔太空飞行中心负责管理钱德拉计划。史密森天体物理天文台的钱德拉X射线中心（位于马萨诸塞州剑桥）控制科学和飞行操作。

有关更多钱德拉的图像、多媒体和相关材料，请访问：http://www.nasa.gov/chandra