韦伯太空望远镜对原始黑洞的探索

韦伯团队继续致力于调试科学仪器，这是夏季开始科学操作之前的最后一步。我们最近看到了由事件视界望远镜拍摄的银河系中心黑洞的美丽图像。现代天文学的谜团之一是每个大型星系如何都有一个巨大的中央黑洞，以及这些黑洞中的一些如何在很早的时候就惊人地大。我们询问了近红外光谱仪 ( NIRSpec ) 仪器科学团队的成员 Roberto Maiolino，告诉我们 Webb 将如何帮助回答其中一些问题。

“韦伯即将开启的最激动人心的发现领域之一是在早期宇宙中寻找原始黑洞。这些是天文学家在星系核中发现的更大质量黑洞的种子。大多数（可能是所有）星系的中心都有黑洞，质量从我们太阳的数百万到数十亿倍不等。这些超大质量黑洞已经变得如此之大，既通过吞噬周围的物质，也通过合并较小的黑洞。

“最近一个有趣的发现是发现了超大质量黑洞，其质量为数十亿太阳质量，当宇宙只有大约 7 亿年的历史时，它已经存在，这只是其当前 138 亿年年龄的一小部分。这是一个令人费解的结果，因为根据标准理论，在如此早期的时代，没有足够的时间来生长如此大质量的黑洞。已经提出了一些方案来解决这个难题。一种可能性是，由于早期宇宙中第一代恒星的死亡而产生的黑洞以异常高的速度吸积了物质。另一种情况是，尚未被比氦重的化学元素富集的原始气体云可以直接坍缩形成一个质量为几十万太阳质量的黑洞，并随后吸积物质演变成在后期观察到的超大质量黑洞。最后，婴儿星系中心的密集核星团可能通过恒星碰撞或恒星质量黑洞的合并产生了中等质量的黑洞种子，然后通过吸积变得更大。

一张图表，显示早期宇宙中已知黑洞的数量（大黑点）和候选黑洞前身（阴影区域）。

该图显示了早期宇宙中已知黑洞（大黑点）的种群和候选黑洞祖先（阴影区域）。图片来源：剑桥大学 Roberto Maiolino。

“韦伯即将在这一领域开辟一个全新的发现空间。第一个黑洞种子可能最初是在大爆炸后的几百万年内在“婴儿宇宙”中形成的。韦伯是了解这些原始物体的完美“时间机器”。其卓越的灵敏度使韦伯能够探测到极其遥远的星系，并且由于星系发出的光到达我们需要时间，我们将看到它们就像它们在遥远的过去一样。

“韦伯的 NIRSpec 仪器特别适合识别原始黑洞种子。我和 NIRSpec 仪器科学团队的同事们将在“活跃”阶段寻找他们的特征，此时他们正在贪婪地吞噬物质并迅速成长。在这些阶段，它们周围的物质变得非常热和发光，并使它们周围和宿主星系中的原子电离。NIRSpec 会将来自这些系统的光分散成光谱或“彩虹”。活跃的黑洞种子的彩虹将以特定的“指纹”为特征，即高度电离原子的特征。NIRSpec 还将测量在这些原始黑洞附近运行的气体的速度。较小的黑洞将以较低的轨道速度为特征。

“我期待着利用韦伯前所未有的能力来寻找这些黑洞的祖先，最终目标是了解它们的性质和起源。早期宇宙和黑洞种子领域是一个完全未知的领域，我和我的同事们很高兴能与韦伯一起探索。”

— Roberto Maiolino，实验天体物理学教授，剑桥大学卡夫利宇宙学研究所所长

— Jonathan Gardner，韦伯副高级项目科学家，美国宇航局戈达德太空飞行中心

— Stefanie Milam，韦伯行星科学副项目科学家，美国宇航局戈达德