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新理论将揭示早期宇宙的冰山一角:有些古老黑洞可能并非由恒星形成

http://www.tzgcjie.com 来源:前瞻网            发布时间:2018-09-27 14:08:49

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(图源:NASA)

科学家认为,在宇宙非常接近最开始的时候,就存在黑洞。

这些黑洞,天文学家从来没有直接探测过,它们并不是以通常的方式形成:一个巨大的、垂死的恒星爆炸、坍缩,因为其自身的重力而成为黑洞。

研究人员认为,这些黑洞中的物质并不是被一颗古老恒星的最后喘息声压成奇点的。

事实上,在那个时候,在宇宙的前10亿年左右的时间里,没有古老的恒星。

取而代之的是巨大的物质云,充满了宇宙空间,孕育了最早的星系。

研究人员认为,这些物质中的一部分会更紧密地聚集在一起,就像后来宇宙变老时的衰老恒星一样,它们会由于自身重力而坍缩。

研究人员认为,这些坍缩形成了超大质量黑洞,它们之前并没有像恒星那样存在过。

天文学家称这些奇点为“直接坍缩黑洞”(DCBHs)。

然而,这个理论的问题在于,从来没有人发现过这样的黑洞。

但这种情况可能会改变。

美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的一篇新论文于9月10日发表在《自然天文》杂志上,提到美国国家航空和宇宙航行局(NASA)计划在未来几年的某个时候发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),该望远镜应该足够灵敏,能够探测到一个星系,其中包含着宇宙历史上这个古老时期的黑洞,“直接坍缩黑洞”(DCBHs)。

新的研究提出了一套可以用来识别DCBH宿主星系的特征。

而那架超级望远镜可能不需要在天空中搜索很长时间就能找到。

研究人员写道:“我们预测即将问世的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)可能能够探测并区分一个年轻的星系,该星系承载着一个直接坍缩的黑洞……只需2万秒(5.56小时)的总曝光时间。”

(后来,他们注意到,对这个时间的估计有一些“粗略的”因素。)

为了做出预测,研究人员使用了计算机模型模拟在早期宇宙中DCBH的形成。

他们发现,当“直接坍缩黑洞”(DCBHs)形成时,会在它周围形成许多巨大的、寿命短暂的、没有金属的恒星。

因此,来自其主星系的光线将包含低金属含量的恒星的特征。

他们还发现,一个新生的DCBH发出特别高频率的电磁辐射,詹姆斯·韦伯太空望远镜可以识别到这种辐射——尽管辐射从一个往相反方向快速移动的星系传播到如此遥远的地方,当它到达我们的太阳系时,它会变成红外辐射。

(光线会发生红移,或向波长更长的方向移动,因为宇宙中的物体彼此间距离更远。)

这就引出了研究人员仍然只能推测(以非常先进的计算)望远镜(JWST)看到的DCBH会是什么样子的根本原因,并且要等待JWST真正被发射到太空的时候。

为了研究早期宇宙,科学家们必须观察非常遥远的地方,观察已经传播了很长时间的非常古老的光。

这种光线特别微弱,而且没有像JWST这样灵敏的仪器,人类目前无法探测到它。

不过,研究人员写道,一旦JWST启动,它应该能够在相对较短的时间内检测到DCBH。

这是因为有很多黑洞,研究人员已经可以从稍晚一点的宇宙中探测到,他们怀疑可能是DCBHs。

但是这些黑洞离地球更近,所以人类现在可以从它们身上探测到的信号是在它们生命周期的后期产生的,那时关于它们是如何形成的证据已经丢失了。

研究人员在一份声明中说,关于DCBHs, JWST可能会回答很多悬而未决的问题,比如DCBH是否会形成并导致一个星系在它周围形成,或者DCBHs是在它周围的物质聚集成恒星后形成的。

“这是早期宇宙的仍未解决的许多大谜团之一,”该论文的第一作者、佐治亚理工大学物理学院的博士生柯克·巴罗(Kirk Barrow)在声明中说。

“我们希望这项研究为弄清这些超大质量黑洞是如何在星系诞生时形成的提供了一个很好的方向。”

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