摘要：这个类星体的强烈变亮和变暗是由美国宇航局的 NuSTAR（核光谱望远镜 ARray）X 射线太空望远镜观测到的。然后，NuSTAR 的观测结果与 NASA 的 Chandra X 射线太空望远镜提供的有关相同馈送超大质量黑洞的数据相匹配。

早期宇宙中超大质量黑洞的插图（图片来源：Robert Lea（与 Canva 一起创建））

天文学家发现了一个以黑洞为动力的超大质量类星体，它可能有助于在早期宇宙中“点亮灯”

这个类星体的强烈变亮和变暗是由美国宇航局的 NuSTAR（核光谱望远镜 ARray）X 射线太空望远镜观测到的。然后，NuSTAR 的观测结果与 NASA 的 Chandra X 射线太空望远镜提供的有关相同馈送超大质量黑洞的数据相匹配。

这些新发现可能有助于解释早期宇宙的“黑暗时代”是如何结束的，以及黑洞是如何迅速增长到拥有相当于很久以前数百万或数十亿个太阳的质量的。

理论上，超大质量黑洞是通过一系列涉及较小黑洞的合并以及大量气体和尘埃的盛宴而变得如此之大。问题是，这个过程被认为至少需要 10 亿年。这意味着，在大爆炸后不到 10 亿年内存在的超大质量黑洞构成了天文学家迫切希望解决的挑战。

新研究的类星体被命名为 CFHQS J142952+54471 （J1429+5447），它非常遥远，以至于它的光已经传播到地球近 130 亿年，正处于那个充满挑战的时期的尾声。

“在这项工作中，我们发现这个类星体很可能是一个超大质量黑洞，喷流指向地球——我们在宇宙的前十亿年里看到了它，”耶鲁大学研究员、研究小组负责人 Lea Marcotulli 在一份声明中说。

这条时间线意味着这个超大质量黑洞，估计质量约为太阳的 2 亿倍，存在于被称为“再电离时代”的重要宇宙时期。

宇宙黑暗时代是一直存在到大爆炸后约 11 亿年的时期。

当宇宙大约有 380,000 年的历史时，它已经冷却到足以让电子和质子聚集在一起并形成原子。自由电子的消失意味着光子（光的基本粒子）不再无休止地反弹，实际上可以传播很长的距离。

换句话说，宇宙突然从不透明变成了透明。这种“第一道光”的化石残余物今天以宇宙微波背景 （CMB） 的形式存在。

然而，随着宇宙继续冷却，更多的中性氢原子形成并开始集体吸收光子。这导致宇宙再次陷入黑暗，开启了宇宙黑暗时代。

这条时间线总结了宇宙的演化，左边是大爆炸，右边是宇宙存在大约 20 亿年后。随着再电离的发生，第一批恒星和黑洞发出的辐射清除了中性氢的雾霾。（图片来源：NASA/CXC/M. Weiss）

再电离时代描述了大爆炸后 6.8 亿年至 11 亿年的时间，在此期间，高能光开始从氢离子中剥离电子，使光再次自由传播。

尽管来自第一批恒星的紫外线被认为是再电离过程的关键，但科学家们长期以来一直怀疑其他高能光源也一定在起作用。

这就是早期类星体出现的地方。

“再电离时代被认为是宇宙黑暗时代的结束，”研究团队成员、钱德拉 X 射线中心科学家托马斯·康纳 （Thomas Connor） 说。“导致再电离的确切时间线和源类别仍在争论中，积极吸积超大质量黑洞是公认的罪魁祸首之一。”

类星体可以在超大质量黑洞贪婪地以周围的物质为食的地方看到。

这些超大质量黑洞在扁平的物质云（称为吸积盘）中产生巨大的摩擦力，这些物质云会逐渐为它们提供能量。此外，没有被送入黑洞的物质被引导到它的两极，从那里以接近光速的射流形式被炸出。

这使得像 J1429+5447 这样的类星体通常比电磁波谱中围绕它们的星系中每颗恒星的总光更亮。

因此，它们不仅是研究宇宙黑暗时代结束的理想来源，而且还是寻找这种非常重要的普遍相变的主要嫌疑人，可能提供电离中性氢的能量。

Connor 及其同事将 NuSTAR 对 J1429+5447 的观测与 Chandra 对同一类星体的观测进行了比较。

研究人员发现，J1429+5447 的 X 射线发射量在四个月的时间里翻了一番。虽然从一个 1656 亿个月大的宇宙中，从宇宙的角度来看，这已经是一个非常短的时间，但相对论的时间扭曲效应意味着这个类星体的四个月变化被压缩到这个早期超大质量黑洞的两周内。

“因为喷流以接近光速移动，所以爱因斯坦狭义相对论的影响会加速并放大可变性，”耶鲁大学文理学院的团队成员 Meg Urry 解释说。“就强度和速度而言，这种水平的 X 射线变异性是极端的。几乎可以肯定，这可以通过指向我们的喷流来解释——一个圆锥体，其中的粒子被运送到距离中心超大质量黑洞最远 100 万光年的地方。

这一观察结果不仅可以帮助科学家破译再电离的秘密，而且可能是发现更多早期超大质量黑洞并发现它们是如何变得如此大的关键。

马可图利总结道：“发现更多可能承载喷流的超大质量黑洞提出了一个问题，即这些黑洞是如何在如此短的时间内发展得如此之大的，以及与喷流触发机制有什么联系。

该团队周二（1 月 14 日）在马里兰州国家港口举行的美国天文学会第 245 次会议上展示了他们的工作。他们的研究在同一天发表在《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上。

来源：当代生命哲学家一点号