摘要：在现代宇宙中，对于靠近我们银河系的星系，超大质量黑洞的质量往往等于其宿主星系恒星质量的 0.01% 左右。因此，对于星系中恒星的每 10,000 个太阳质量，大约有一个中心超大质量黑洞的太阳质量。

使用詹姆斯韦伯太空望远镜 （JWST），天文学家在早期宇宙中发现了遥远、质量过大的超大质量黑洞。与承载它们的星系中的恒星质量相比，黑洞似乎太大了。

在现代宇宙中，对于靠近我们银河系的星系，超大质量黑洞的质量往往等于其宿主星系恒星质量的 0.01% 左右。因此，对于星系中恒星的每 10,000 个太阳质量，大约有一个中心超大质量黑洞的太阳质量。

在这项新研究中，研究人员统计计算出，JWST 看到的一些早期星系中的超大质量黑洞的质量是其星系恒星质量的 10%。这意味着，在这些星系中，恒星中每 10,000 个太阳质量，就有 1,000 个太阳质量的超大质量黑洞。

“与承载它们的星系的恒星质量相比，这些超大质量黑洞的质量非常高，”奥地利科学技术研究所 （ISTA） 的科学家、团队负责人乔里特·马蒂 （Jorryt Matthee） 告诉 Space.com。“从表面上看，我们的测量表明，超大质量黑洞质量是我们研究的星系中恒星质量的 10%。”

“在最极端的情况下，这意味着黑洞的重量要重 1,000 倍。”

这一发现可能使天文学家离解开质量为太阳数百万倍甚至数十亿倍的超大质量黑洞在早期宇宙中是如何如此迅速地增长之谜更近一步的。

“与其说这个发现是'令人不安的'，不如说它是'有希望的'，因为巨大的差异表明我们即将学习新的东西，”马蒂补充道。

自 JWST 于 2022 年夏天开始将数据传回地球以来，这台耗资 100 亿美元的望远镜帮助天文学家完善了对早期宇宙的理解。

这包括在宇宙年龄不到 10 亿年时发现具有数百万个太阳质量的超大质量黑洞。这是有问题的，因为科学家们估计，逐渐变大的黑洞的合并链和对周围物质的贪婪进食导致黑洞达到超大质量的大小，被认为需要超过十亿年的时间。

JWST 对早期宇宙的研究的另一个重要方面是发现了“小红点星系”，其中一些星系在大爆炸后仅 15 亿年就存在，当时宇宙的年龄约为当前年龄的 11%。

这些令人惊讶的明亮早期星系的红色被认为来自超大质量黑洞周围扁平物质云（称为吸积盘）中的气体和尘埃。由于巨型黑洞以这种物质为食，它们从一个被称为活跃星系核 （AGN） 的紧凑区域发射出大量的电磁能。

“在 2023 年和 2024 年，我们和其他小组在 JWST 的第一个数据集中发现了早期宇宙中以前隐藏的 AGN 群体，”Matthee 说。“我们从这些天体看到的光，特别是较红的光，来自超大质量黑洞周围的吸积盘。

“这些物体被称为'小红点'，因为它们在 JWST 图像中的显示方式就是这样。”

目前，这个早期银河系的人群非常令人兴奋，尽管人们对此知之甚少。例如，在早期宇宙中，与以前已知的从地球上看到的超大质量黑洞驱动的类星体的 AGN 群体相比，小红点的数量似乎要多得多。

“小红点还显示出一些非常显着的特性，例如 X 射线发射的微弱，这对于 GAN 来说是非常不寻常的，红外发射也很不寻常，”Matthee 说。“由于这些复杂性，我们正在努力解释我们从小红点观察到的光，这意味着研究它们的特性非常困难。”

这就是 Matthee 和同事们的新工作的用武之地。使用 JWST 第 2 年（第 2 周期）“所有小事 （ALT）”调查的数据集，该团队构建了天空中特定区域所有星系的精确 3D 地图。

“在该区域内，我们已经确定了七个小红点，类似于以前的研究，但现在我们已经能够比较这些小红点在 3D 星系图中的位置，”Matthee 说。

该团队的小红点距离如此之远，以至于它们的光已经向我们传播了大约 125 亿年。它们聚集在所谓的星系宇宙网中，它们的位置至关重要。

小红点星系是宇宙网上的碎片

星系在宇宙网中的位置取决于星系的类型。在过度密集的区域（例如网络链连接的节点）中发现了更进化的大质量星系。更年轻和质量更低的星系往往位于宇宙网中密度较低的区域，沿着远离节点的单个链的长度。

“我们发现，这些小红点位于类似于低质量、年轻星系的环境中，”Matthee 说。“这意味着小红点星系也是低质量的年轻星系。”

这些小红点星系包含 AGN 的事实提供了证据，证明早期黑洞在恒星质量低至太阳 1 亿倍左右的星系中活跃生长。

对此的一种可能的解释是，早期宇宙中的超大质量黑洞的形成和增长效率比现代宇宙中的超大质量黑洞要高得多。这可能是由于周围气体和物质的消耗速度更快。

“在我看来，最可能的解释是早期宇宙中星系的高气体密度滋生了超大质量黑洞的极速增长，”马西说。“这些密度同时导致高恒星密度，这通过促进残余黑洞的失控碰撞来促进超大质量黑洞的形成。”

如果这是真的，那么星系中恒星和超大质量黑洞的形成是内在的联系，这些过程是相互依赖的。尽管超大质量黑洞在早期星系中增长得更快，但恒星的形成会赶上，导致今天看到的 1：100 质量比。

这还没有证实其他超大质量黑洞增长解释的快速生长理论，例如这些宇宙泰坦是从巨大的气体和尘埃云直接坍缩产生的大质量黑洞种子中生长出来的。

然而，Matthee 补充说，当考虑竞争理论时，理论家现在很难绕过低宿主星系质量。

Matthee 解释说，该团队和更广泛的天文学界的下一步是消除这样一种可能性，即他们发现的恒星质量/黑洞质量比不是测量不准确的结果，也不是可能偏爱最活跃的大质量超大质量黑洞的选择偏差的结果。

这可能涉及发现更多的小红点星系，而 JWST 无疑将是这一狩猎的核心。

“JWST 之所以重要，主要有两个原因：没有它，我们就不会发现那些微弱的 AGN 群体，”Matthee 总结道。此外，如果没有 JWST，我们将无法制作准确的星系分布 3D 图，我们用它来推断承载微弱 AGN 的星系的特性。

“目前这是一个非常令人兴奋的研究领域！”

该团队的研究尚未在同行评审期刊上发表。它已经发布在纸质存储库网站 arXiv 上

来源：当代生命哲学家