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大質量黑洞在早期宇宙中相當普遍

2011/06/27 | | 標籤:

天文學家利用曝光時間最久的X射線深空影像,首度發現直接證據證明:在早期宇宙中,大質量黑洞(massive black hole)相當普遍,且這些非常年輕的黑洞成長速度比天文學家先前認為的還快許多,與其宿主星系的成長有很大的關連性。相關論文發表在2011年6月16日出刊的自然(Nature)期刊中。

錢卓深空南區影像(Chandra Deep Field South,CDFS)是錢卓X射線觀測衛星(Chandra)針對南天的天爐座方向某一小塊區域累積曝光時間超過6星期才獲得的結果。夏威夷大學(University of Hawaii)天文學家Ezequiel Treiste等人將CDFS與哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的可見光和紅外波段極深空影像結合後,在宇宙年僅8億~9.5億歲的時期中的200個遙遠星系中搜尋黑洞的蹤跡。Treiste表示:在此之前,天文學家並不清楚黑洞在這些早期星系中的地位,甚至不敢肯定早期星系中是否有這些黑洞存在;現在不僅確定它們的確存在於早期星系中,而且還瞭解到它們的成長速度相當驚人。

CDFS影像中發現的這些超速成長的黑洞,可當作縮小版的類星體(quasar)。類星體是非常明亮的稀有天體,是當物質落入超大質量黑洞的過程中釋放出大量能量所造成的結果。而CDFS這些黑洞的亮度僅有類星體的數百分之一,質量也比類星體中的超大質量黑洞小了上千倍。

從CDFS觀測資料已知:大約有30%~100%的遙遠星系含有成長中的超大質量黑洞。但因CDFS僅佔天空中很小一塊範圍,將這個結果外差處理到全天範圍後,Treiste等人估計大霹靂後約10億年之內的早期宇宙中至少含有3000萬個超大質量黑洞。這個數據,大約是先前利用類星體估計結果的10,000倍以上。團隊成員之一的耶魯大學(Yale University)Kevin Schawinski表示:這顯示他們發現了一個全新的幼期黑洞族群,這些幼期黑洞會成長百倍到千倍左右,最終變成我們今日在一般星系中所見的巨大黑洞怪獸們。

天文學家曾經預測過早期宇宙中應含有年輕黑洞族群這個狀況,但從未觀測到過。經過詳細計算,Treiste等人找到的這些黑洞總數量,大約是近期其他研究估計的100倍左右。由於這些黑洞都被濃厚的塵埃氣體雲遮蔽,一般使用可見光望遠鏡很難觀測到它們。不過,使用高能的X射線則可穿透這些塵埃氣體遮蔽而讓藏在其中的黑洞顯現出來。

正在研究黑洞的物理學家們希望瞭解第一代的超大質量黑洞是如何形成、如何成長的。雖然先前其他距離近一點的天體的研究顯示黑洞是與它的宿主星系一同成長的,不過CDFS的研究結果不僅確認這一點,而且還顯示兩者之間開始有關連性的時間點比先前研究認為的還要早,或許造在兩者一開始形成的時候就有關連性了。

宇宙論學者認為早期宇宙中的黑洞們,或許對清除由中性、不帶電的氫原子構成的宇宙霧,有非常重要的地位。這些因大霹靂之後,溫度逐漸冷卻而形成的氫霧,阻擋了科學家們對宇宙誕生之後數億年內的瞭解,一旦這些氫霧散開,天文學家們才能捕捉到天體所發出的光。如果早期宇宙中的黑洞數量龐大,再加上第一代恆星的形成,它們所製造的大量紫外輻射會使氫原子再游離,這才能清除這些氫霧。

資料來源:http://chandra.si.edu/press/11_releases/press_061511.html, 2011.06.15, KLC

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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