GN-z11星系中發(fā)現(xiàn)宇宙初代恒星與貪婪黑洞的證據(jù)

我們看到的這個(gè)名為GN-z11的星系，是它在大爆炸后僅4.3億年時(shí)的樣子。

GN-z11位于大熊座（Ursa Major）中，處于“大天文臺(tái)深空起源巡天”（GOODS）項(xiàng)目所研究的一片天區(qū)范圍內(nèi)。(Image credit: NASA/ESA/CSA/STScI/Brant Robertson (UC Santa Cruz)/Ben Johnson (CfA)/Sandro Tacchella (Cambridge)/Marcia Rieke (University of Arizona)/Daniel Eisenstein (CfA).)

多虧詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的觀測(cè)，宇宙中第一代恒星存在的證據(jù)終于浮出水面。這一證據(jù)存在于一個(gè)已知的最遙遠(yuǎn)的星系中。

這個(gè)名為GN-z11的星系是由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在2015年發(fā)現(xiàn)的，先于詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的時(shí)間，被認(rèn)為是已知最遙遠(yuǎn)的星系。由于它的紅移值高達(dá)10.6，我們更傾向于談?wù)撍嬖谟诙嗑弥埃皇撬嚯x我們有多遠(yuǎn)。這是因?yàn)樗墓獯┰降轿覀兯诘挠钪娼锹湫杞?jīng)歷漫長(zhǎng)的時(shí)間，而我們看到的GN-z11只是它在大爆炸后僅4.3億年時(shí)的樣子，較之而言，而今的宇宙已經(jīng)有138億年之久。

因此，GN-z11成了JWST（詹姆斯.韋伯太空望眼鏡）研究的一個(gè)主要目標(biāo)。目前，兩篇新發(fā)表的論文揭示了有關(guān)GN-z11的重大發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)為我們理解早期宇宙中的星系如何成長(zhǎng)提供了關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

GN-z11是在這一特定紅移值下已知的最明亮的星系，而這也成為了JWST在早期宇宙中幾乎定期發(fā)現(xiàn)高紅移星系的一個(gè)普遍特征。許多這些星系看起來(lái)比我們基于星系形成模型的預(yù)測(cè)要亮得多，而這些預(yù)測(cè)是基于宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型得出的。

現(xiàn)在，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的新觀測(cè)似乎揭示了這一現(xiàn)象背后的奧秘。

由劍橋大學(xué)的羅伯托·邁奧利諾（Roberto Maiolino）領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用JWST的兩臺(tái)近紅外儀器——近紅外相機(jī)（NIRCam）和近紅外光譜儀（NIRSpec）——對(duì)GN-z11星系進(jìn)行了深入探測(cè)。研究人員發(fā)現(xiàn)了第一代恒星的證據(jù)，這些恒星被稱(chēng)為“第三星族星”（Population III stars）。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞正在吞噬大量物質(zhì)，并以極快的速度增長(zhǎng)。

科學(xué)家可以通過(guò)恒星中重元素的豐度來(lái)計(jì)算它的年齡，這些重元素是由前幾代恒星在生命結(jié)束后被拋灑到太空的，最終在恒星形成區(qū)域被回收利用而形成新的恒星。在過(guò)去五六十億年間形成的最年輕的恒星被稱(chēng)為“第一星族星”（Population I stars），它們的重元素豐度最高。我們的太陽(yáng)就是一顆第一星族星。更古老的恒星含有較少的重元素，因?yàn)樵谒鼈冎按嬖诘暮阈鞘来^少，我們稱(chēng)這些恒星為“第二星族星”（Population II stars），它們位于銀河系最古老的區(qū)域。然而，直到現(xiàn)在，“第三星族星”（Population III stars）還僅僅只是一個(gè)假設(shè)。

這一團(tuán)原始氦氣的光譜為第一代恒星的存在提供了證據(jù)。(Image credit: NASA/ESA/CSA/Ralf Crawford (STScI))

這些恒星可能是宇宙中最早形成的恒星，由于在它們之前沒(méi)有其他恒星存在，它們不會(huì)含有任何重元素，而僅由大爆炸時(shí)期形成的原始?xì)浜秃そM成，這些最早的恒星極其明亮，質(zhì)量至少相當(dāng)于數(shù)百個(gè)太陽(yáng)。盡管天文學(xué)家仍未直接觀測(cè)到第三星族星，但邁奧利諾的團(tuán)隊(duì)在GN-z11中發(fā)現(xiàn)了它們的間接證據(jù)。NIRSpec觀測(cè)到了GN-z11邊緣附近的一團(tuán)電離氦氣。“我們沒(méi)有在氦氣之外發(fā)現(xiàn)其他元素，這表明這團(tuán)氣體一定相當(dāng)原始，”邁奧利諾在一份聲明中說(shuō)道。“理論和模擬預(yù)測(cè)，在這些時(shí)期的特別大質(zhì)量星系附近，應(yīng)該存在一些原始?xì)怏w團(tuán)塊，它們可能坍縮并形成第三星族星。”

這些氦氣正在被某種產(chǎn)生大量紫外線的物質(zhì)電離，而這種物質(zhì)被推測(cè)為第三星族星。這些氦氣可能是這些恒星形成后留下的物質(zhì)。電離所有這些氣體所需的紫外線量，大約相當(dāng)于60萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，其總亮度是太陽(yáng)的20萬(wàn)億倍。這些數(shù)據(jù)表明，像GN-z11這樣的遙遠(yuǎn)星系可能比現(xiàn)代宇宙中的星系更容易形成大質(zhì)量恒星。與此同時(shí)，根據(jù)第二組研究的結(jié)果，邁奧利諾的團(tuán)隊(duì)還在GN-z11的中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量為200萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的證據(jù)。

“我們發(fā)現(xiàn)了在超大質(zhì)量黑洞吸積氣體附近常見(jiàn)的極高密度氣體，”邁奧利諾在同一份聲明中說(shuō)道。“這些是GN-z11中心存在一個(gè)正在吞噬物質(zhì)的黑洞的首個(gè)明確跡象。”研究團(tuán)隊(duì)還探測(cè)到從黑洞周?chē)e盤(pán)中流出的強(qiáng)大輻射流，以及通常在吸積黑洞附近發(fā)現(xiàn)的電離化學(xué)元素。研究團(tuán)隊(duì)表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，它的貪婪吞噬使其吸積盤(pán)變得密集且熾熱，并發(fā)出明亮的光芒。研究人員認(rèn)為，正是這些第三星族星和黑洞的共同作用，使得GN-z11如此明亮，而并不像一些人過(guò)早聲稱(chēng)的那樣違背了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。關(guān)于電離氦氣團(tuán)塊和第三星族星的研究已被《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊接受發(fā)表，預(yù)印本可以在此處查看。與此同時(shí)，關(guān)于NIRCam對(duì)黑洞觀測(cè)的研究已于1月17日發(fā)表在《自然》期刊上。

BY: Keith Cooper

FY: Brite Sun

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