黑洞有多能吃？这个黑洞吞噬物质的速度，超过理论极限40倍

撰文 | 徐惠元（Hyewon Suh）

翻译 | 陈子鹏

审校｜王昱

美国国家科学基金会下属国家光学红外天文研究实验室（以下简称NSF NOIRLab）的天文学家团队利用詹姆斯·韦布空间望远镜（以下简称JWST）和钱德拉X射线天文台（以下简称钱德拉）的数据，发现了一个存在于宇宙大爆炸后15亿年的星系中心的超大质量黑洞，该黑洞正以惊人的速度消耗物质，速度超过理论极限的40倍。尽管星系与黑洞尚处在演化早年，这只黑洞“饕餮”仍能帮助天文学家阐释早期宇宙中的超大质量黑洞是如何快速成长的。

超大质量黑洞存在于大多数星系的中心。借由现代望远镜技术，天文学家得以在宇宙演化的极早期就能持续观测它们，但他们很难理解这些黑洞的成长速度为何如此之快。如今，随着一个吞噬物质速度极快的低质量超大质量黑洞在宇宙大爆炸后15亿年处的星系中被发现，天文学家对早期宇宙中黑洞快速成长的机制有了宝贵的新见解。

黑洞LID-568是由国际双子座天文台、NSF NOIRLab天文学家徐惠元（Hyewon Suh）领导的跨机构团队发现的。他们使用JWST观测了钱德拉COSMOS遗产巡天中的星系样本，这一星系群在电磁波谱的X射线波段非常明亮，但在光学和近红外波段是不可见的。JWST独特的红外敏感性使其能够探测到对应天体的暗弱辐射。

由于X射线辐射强烈，LID-568从样本中脱颖而出，但仅凭X射线观测无法确定其确切位置，这引发了天文学家对如何将其正确居中在JWST视场中的担忧。因此JWST的仪器支持科学家建议徐的团队在JWST的近红外光谱仪（以下简称NIRSpec）上使用集成视场摄谱，从而获得仪器视场中所有像素的光谱，而非传统的狭缝摄谱，每次仅能获得其中一条狭带上的光谱。

国际双子座天文台/NSF NOIRLab天文学家、相关论文（发表在《自然·天文学》杂志上）的合著者伊曼纽尔·法里纳（Emanuele Farina）说：“由于LID-568极其暗弱，我们不借助JWST就不可能探测到它。我们必须使用集成视场摄谱这一创新方法才能获得观测数据。”

JWST的NIRSpec仪器使研究团队能够全面了解观测目标及其周围区域，进而意外发现了中心黑洞周围强烈的气体外向流。这些外向流的速度和规模令研究团队推断，LID-568的大部分质量增长可能来自于一次快速吸积。徐说：“这一意外收获让我们能够从新的维度来理解这个黑洞系统，为进一步研究开辟了新的道路。”

徐和她的团队发现，LID-568的“进食”速度似乎达到了其爱丁顿极限的40倍，这一发现令人震惊。爱丁顿极限，又名爱丁顿光度，是描述天体能够达到的最大亮度的表征。爱丁顿极限反映了黑洞可以达到的最大光度及其吸收物质的速度，这要求它内向引力与被压缩的下落物质产生的外向热压力保持平衡。当计算而得的LID-568的光度比理论可能要高得多时，研究团队意识到他们的数据中有非同寻常的地方。

“这个黑洞正在畅享饕餮盛宴，”国际双子座天文台/NSF NOIRLab天文学家、论文合著者朱莉娅·沙尔瓦希特（Julia Scharwächter）说：“这个极端案例表明，快速‘进食’机制直至超越爱丁顿极限，或许能解释我们为何能在宇宙早期观测到如此之重的黑洞。”

这些结论为超大质量黑洞如何由较小的黑洞“种子”成长的过程提供了新的见解。现有的理论认为，超大质量黑洞的形成要么源于宇宙中第一代恒星的死亡（产生轻种子），要么源于气体云的直接坍缩（重种子）。而时至今日这些理论依然缺乏观测验证。徐说：“这种超爱丁顿吸积黑洞的发现表明，无论超大质量黑洞是由轻种子还是重种子成长而来，它的质量增长很大一部分都可以来自于一次快速‘进食’过程。”

LID-568的发现也表明，黑洞质量有可能超越其爱丁顿极限，它也为天文学家研究这一现象的发生机制提供了第一次机会。在LID-568周围观测到的强烈外向流可能是极端吸积产生的多余能量的释放阀，以防系统变得过于不稳定。为进一步探究这一过程的作用机制，该团队正在计划继续使用JWST进行后续观测。

参考链接：

https://noirlab.edu/public/news/noirlab2427/

本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到newmedia@huanqiukexue.com与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。