钱德拉发现最遥远的黑洞

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。

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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

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