GN-z11星系中發(fā)現宇宙初代恒星與貪婪黑洞的證據

我們看到的這個名為GN-z11的星系，是它在大爆炸后僅4.3億年時的樣子。

GN-z11位于大熊座（Ursa Major）中，處于“大天文臺深空起源巡天”（GOODS）項目所研究的一片天區(qū)范圍內。(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·韋伯太空望遠鏡（JWST）的觀測，宇宙中第一代恒星存在的證據終于浮出水面。這一證據存在于一個已知的最遙遠的星系中。

這個名為GN-z11的星系是由哈勃太空望遠鏡在2015年發(fā)現的，先于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)射的時間，被認為是已知最遙遠的星系。由于它的紅移值高達10.6，我們更傾向于談論它存在于多久之前，而不是它距離我們有多遠。這是因為它的光穿越到我們所在的宇宙角落需經歷漫長的時間，而我們看到的GN-z11只是它在大爆炸后僅4.3億年時的樣子，較之而言，而今的宇宙已經有138億年之久。

因此，GN-z11成了JWST（詹姆斯.韋伯太空望眼鏡）研究的一個主要目標。目前，兩篇新發(fā)表的論文揭示了有關GN-z11的重大發(fā)現，這些發(fā)現為我們理解早期宇宙中的星系如何成長提供了關鍵細節(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)現高紅移星系的一個普遍特征。許多這些星系看起來比我們基于星系形成模型的預測要亮得多，而這些預測是基于宇宙學的標準模型得出的。

現在，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的新觀測似乎揭示了這一現象背后的奧秘。

由劍橋大學的羅伯托·邁奧利諾（Roberto Maiolino）領導的天文學團隊，利用JWST的兩臺近紅外儀器——近紅外相機（NIRCam）和近紅外光譜儀（NIRSpec）——對GN-z11星系進行了深入探測。研究人員發(fā)現了第一代恒星的證據，這些恒星被稱為“第三星族星”（Population III stars）。此外，他們還發(fā)現了一個超大質量黑洞正在吞噬大量物質，并以極快的速度增長。

科學家可以通過恒星中重元素的豐度來計算它的年齡，這些重元素是由前幾代恒星在生命結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。在過去五六十億年間形成的最年輕的恒星被稱為“第一星族星”（Population I stars），它們的重元素豐度最高。我們的太陽就是一顆第一星族星。更古老的恒星含有較少的重元素，因為在它們之前存在的恒星世代較少，我們稱這些恒星為“第二星族星”（Population II stars），它們位于銀河系最古老的區(qū)域。然而，直到現在，“第三星族星”（Population III stars）還僅僅只是一個假設。

這一團原始氦氣的光譜為第一代恒星的存在提供了證據。(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，由于在它們之前沒有其他恒星存在，它們不會含有任何重元素，而僅由大爆炸時期形成的原始氫和氦組成，這些最早的恒星極其明亮，質量至少相當于數百個太陽。盡管天文學家仍未直接觀測到第三星族星，但邁奧利諾的團隊在GN-z11中發(fā)現了它們的間接證據。NIRSpec觀測到了GN-z11邊緣附近的一團電離氦氣。“我們沒有在氦氣之外發(fā)現其他元素，這表明這團氣體一定相當原始，”邁奧利諾在一份聲明中說道。“理論和模擬預測，在這些時期的特別大質量星系附近，應該存在一些原始氣體團塊，它們可能坍縮并形成第三星族星。”

這些氦氣正在被某種產生大量紫外線的物質電離，而這種物質被推測為第三星族星。這些氦氣可能是這些恒星形成后留下的物質。電離所有這些氣體所需的紫外線量，大約相當于60萬倍太陽質量的恒星，其總亮度是太陽的20萬億倍。這些數據表明，像GN-z11這樣的遙遠星系可能比現代宇宙中的星系更容易形成大質量恒星。與此同時，根據第二組研究的結果，邁奧利諾的團隊還在GN-z11的中心發(fā)現了一個質量為200萬倍太陽質量的黑洞的證據。

“我們發(fā)現了在超大質量黑洞吸積氣體附近常見的極高密度氣體，”邁奧利諾在同一份聲明中說道。“這些是GN-z11中心存在一個正在吞噬物質的黑洞的首個明確跡象。”研究團隊還探測到從黑洞周圍吸積盤中流出的強大輻射流，以及通常在吸積黑洞附近發(fā)現的電離化學元素。研究團隊表示，這是迄今為止發(fā)現的最遙遠的超大質量黑洞，它的貪婪吞噬使其吸積盤變得密集且熾熱，并發(fā)出明亮的光芒。研究人員認為，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，而并不像一些人過早聲稱的那樣違背了標準宇宙學模型。關于電離氦氣團塊和第三星族星的研究已被《天文學與天體物理學》期刊接受發(fā)表，預印本可以在此處查看。與此同時，關于NIRCam對黑洞觀測的研究已于1月17日發(fā)表在《自然》期刊上。

BY: Keith Cooper

FY: Brite Sun

如有相關內容侵權，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處