詹姆斯·韦伯太空望远镜看到一个古老的黑洞与碰撞的星系共舞
超大质量黑洞驱动类星体的图示。插图显示了PJ308-21系统中氢（红色和蓝色）和氧（绿色）的线发射图，该图显示了遮蔽中心类星体（QSO）的光后的情况。（图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、约瑟夫·奥姆斯特德（STScI）/Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
（蜘蛛网eeook.com）据美国生活科学网站（Robert Lea）：天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到超大质量黑洞和两个卫星星系之间戏剧性的“舞蹈”。这些观测可以帮助科学家更好地了解星系和超大质量黑洞在早期宇宙中是如何生长的。
这个特殊的超大质量黑洞以周围的物质为食，并为一个如此遥远的明亮类星体提供能量，以至于JWST认为它在大爆炸后不到十亿年。这颗名为PJ308-21的类星体位于一个正在与两个大质量卫星星系合并的星系中的活动星系核（AGN）内。
该团队不仅确定了黑洞的质量相当于20亿个太阳，而且他们还发现，参与这次合并的类星体和星系都是高度进化的，考虑到它们在13.8岁的宇宙还是婴儿时就存在，这是一个惊喜。
这三个星系的合并可能会向超大质量黑洞输送大量的气体和尘埃，这将促进其生长，并使其能够继续为PJ308-21提供动力。
意大利国家天体物理研究所（INAF）研究员、团队负责人罗伯托·德卡利在一份声明中表示：“我们的研究表明，在宇宙历史的头十亿年里，高红移（早期和遥远）类星体中心的黑洞以及容纳它们的星系都经历了极其高效和动荡的增长，这得益于形成这些源的丰富的星系环境。”。
这些数据是由JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）于2022年9月收集的，作为1554计划的一部分，该计划旨在观察PJ308-21所在星系与其两个卫星星系之间的合并。
Decarli补充说，这项工作对团队来说是一个真正的“情感过山车”，他们开发了创新的解决方案来克服数据缩减的最初困难，并生成每像素不确定性小于1%的图像。
PJ308-21系统中电离氧发射的地图，用JWST观测到，显示了该系统的复杂三维结构和类星体周围卫星星系的“宇宙之舞”。（图片来源：Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
一个非常金属的类星体
当位于星系中心的质量是太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞被大量气体和尘埃包围时，类星体就诞生了。这种物质形成了一个扁平的云，称为吸积盘，它围绕黑洞旋转并逐渐为其提供能量。
黑洞的巨大引力在这个吸积盘中产生了强大的潮汐力，将这种气体和尘埃加热到高达120000华氏度（67000摄氏度）的温度。这导致吸积盘在电磁波谱中发光。这种发射通常比周围星系中每颗恒星的组合光都亮，使PJ308-21等类星体成为宇宙中最亮的物体之一。
虽然黑洞没有可以用来确定它们是如何进化的特征，但它们的吸积盘（以及类星体）有。事实上，星系也可以以同样的方式“老化”。
艺术家对超大质量黑洞及其吸积盘的印象。（图片来源：S.Dagnello（NRAO/AUI/NSF））
早期的宇宙充满了氢，这是最轻、最简单的元素，还有一点氦。这形成了第一批恒星和星系的基础，但在这些恒星体的生命周期中，它们锻造了比氢和氦重的元素，天文学家称之为“金属”
当这些恒星在巨大的超新星爆炸中结束生命时，这些金属分散在它们的星系中，并继续成为下一代恒星的基石。在这个过程中，恒星和星系逐渐“富含金属”
研究小组发现，与大多数活动星系核一样，PJ308-21的活跃心脏富含金属，其周围的气体和尘埃正在被“光电离”。这是光粒子（称为光子）提供电子逃离原子所需的能量，从而产生带电离子的过程。
PJ308-21系统中氢（红色和蓝色）和氧（绿色）的线发射图，显示了遮蔽中心类星体（QSO）的光后的情况。这张图中类星体的宿主星系和伴星系的不同颜色揭示了它们内部气体的条件和物理性质。（图片来源：Decarli等人，at/INAF/A&A 2024）
与宿主星系PJ308-21合并的星系之一也富含金属，其物质也被类星体的电磁辐射部分光电离。
第二个卫星星系也发生了光电离，但在这种情况下，它是由一轮快速恒星形成引起的。这第二个星系也不同于第一个星系和AGN，因为它似乎是金属贫乏的。
“多亏了NIRSpec，我们第一次可以在PJ308-21系统中研究富含关于类星体所在星系和周围星系中黑洞附近气体特性的宝贵诊断数据的光学带，”团队成员兼INAF天体物理学家Federica Loiacono说。“例如，我们可以看到氢原子的排放，并将其与恒星产生的化学元素的排放进行比较，以确定气体中金属的含量。”
尽管光离开这个早期宇宙类星体的电磁波谱范围很广，包括光学光和X射线，但观察它的唯一方法是红外。
这是因为，随着光传播了120多亿年才到达JWST，宇宙的膨胀大大“拉伸”了它的波长。这会使光向电磁波谱的“红端”方向“移动”，这种现象可以理解地称为“红移”，天文学家将其表示为“z”。
JWST擅长观察像PJ308-21这样的“高红移”或“高z”物体和事件，因为它对红外光敏感。
Loiacono总结道：“由于JWST在近红外和中红外波段的灵敏度，有可能在遥远的宇宙中以前所未有的精度研究类星体和伴星系的光谱。”。“只有JWST提供的优秀‘视图’才能确保这些观察结果。”
该团队的研究于2024年6月被《天文学与天体物理学》杂志接受发表。
