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日本团队发现超密集超大质量黑洞群,这是怎样一番景象?

作者:软荐小编      2025-06-17 09:02:06     117

众所周知,星星往往倾向于“抱团取暖”,从而汇聚成星群、星团等。那么,你是否曾好奇,当一群质量惊人的超大黑洞紧密地聚集在一起时,那将呈现出一幅怎样的壮观景象呢?

日本国家天文台的梁永明(Yongming Liang)所率领的跨国研究团队在深入研究斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)所收集的数据过程中,于两组星系团紧密相连的边缘地带成功识别出11个类星体,这一发现一举超越了之前所记录的5个类星体群的数目。这一发现给天文学家带来了很大的困惑。

目前观测到的宇宙中最集中的超大质量黑洞群体。该背景图像是通过昴星团望远镜上的超主焦相机(HSC)所捕捉。在图像中,红色与蓝色阴影分别指示了超大质量黑洞(即类星体)及其周边数百个年轻星系的密度分布。而白色方块所包围的区域则是类星体,其中较大的方块还展示了其局部特写图像。(资料来源:Subaru望远镜 / SDSS,Liang等人)

上世纪60年代,科学家们揭示了一种独特天体的存在,这种天体被称为类星体。其显著特点包括:位于遥远的天际,且光芒璀璨。众多类星体的亮度远超银河系数十倍,尽管它们位于数十亿甚至上百亿光年之外,其发出的光芒依然能够被地面上的观测设备捕捉到。之所以得名“类星体”,是因为它们的外观与恒星极为相似。

左图展示了由哈勃空间望远镜捕捉到的历史上首个被发现的类星体3C 273,其影像源自NASA和J. Bahcall(IAS)。右图则呈现了通过星冕仪遮挡类星体的主要光学部分后,其所在宿主星系得以被探测到的情形。资料来源于美国国家航空航天局,由约翰霍普金斯大学A. Martel、H. Ford以及M. Clampin,以及空间望远镜科学研究所的G. Hartig和G. Illingworth,以及加州大学欧文分校/利克天文台的G. Illingworth共同提供。

当然,实际上并非如此。目前,我们认定类星体是位于遥远星系中心区域的高质量部分。这些类星体所拥有的巨大能量,源自于大量物质跌入星系中心的超大质量黑洞。因此,类星体并非等同于星系,也非黑洞,然而,它们确实是由星系中心的超大质量黑洞直接驱动的。

在大众心目中,黑洞被视为一种吞噬一切、只进不出的神秘怪物。但真相是,黑洞在狂热地摄取物质的同时,也会向外散发出辐射,尽管这些辐射并非源自黑洞本身。辐射的强度越高,意味着黑洞吸收的物质越多。因此,一个类星体不仅代表了一个“大胃王”黑洞的存在,同时也表明它正在贪婪地吞噬着周围的一切。在星系形成的早期,核心区域物质密度极高,为超大质量黑洞的成长提供了理想的条件。另外还有一种情况,就是两个正在碰撞的星系,

描绘类星体的艺术创作(出自:欧洲南方天文台/莫妮卡·科尔内梅瑟)

斯隆数字巡天项目堪称史上规模最大、信息最详尽、引用频率最高的巡天项目之一,旨在深化我们对宇宙宏大结构及其演化历程、恒星与星系生成机制、银河系发展史以及超大质量黑洞特性的认识。该项目由美国天体物理研究协会(ARC)负责执行,自2000年起正式开展巡天观测工作。目前,项目正处于第五阶段运行中,全球范围内已有超过40家机构加入其中。

在斯隆巡天的BOSS J0210+0052区域,研究人员观测到了11个红移值介于2.16至2.20之间的天体,这些天体距离我们地球大约有108亿光年。若以立体空间来衡量,这相当于在1.3亿光年边长的区域内,密集地分布着11个超大质量黑洞。该区域的密度远超平均水平30倍,成为迄今为止在红移量z大于2的位置上密度最高的地带,宛如遥远天际突然涌现连绵起伏的群山。鉴于此,研究团队将这一重大发现命名为“宇宙喜马拉雅山脉”。

黄色标记用于标示类星体的具体位置。色标所指示的是中性氢的密度情况,其中红色区域代表密度较高,而蓝色区域则代表密度较低,这些蓝色区域通常富含电离气体。中性氢主要聚集在左侧的星系团中,相对地,电离氢则主要分布在右侧星系团的周边。黑色等值线用来描绘星系的密度分布。灰色区域的出现,要么是因为图像数据不足,要么是由于明亮的前景恒星所造成的干扰。该研究数据源自 Subaru 望远镜与 SDSS,由 Liang 等人于 2025 年发表。

研究团队在夏威夷昴星团望远镜(Subaru)的辅助下,对BOSS J0210+0052区域进行了长达10天的观测。在观测到的约1° × 1°的图像里,他们观察到物质分布呈现出两个明显的集中区域,分别标记为A和B,其形态宛如两座山峰。此外,他们还识别出了465个星系,其中大部分星系都位于A和B两个山峰区域内。这道理其实并不难懂。然而,令人感到不可思议的是,斯隆巡天所揭示的11个类星体并非出现在物质资源充沛的区域,反倒是栖息在交界地带。若将这一天文现象比作地形,那么这片天区的物质分布就像“两山夹一沟”的格局,而那些拥有超大质量黑洞并吞噬大量物质的类星体,竟然就生活在“山谷”之中,这难道不令人称奇吗?

黄色X符号标示了由斯隆巡天探测到的11个类星体的具体位置,而白色的小圆点则指示了通过昴星团望远镜观测到的星系,这些星系是莱曼α发射体(LAEs)。此外,方块符号则用来表示莱曼α团块。(信息来源:Liang等人,2025年)

目前研究团队尚不能提供满意的答案。然而,我们暂且不要急于否定现有的理论,因为更为关键的是,我们对于众多情况的理解还不够全面。以直径1.3亿光年为例,这或许是一个典型的超星系团的规模。以我们所在的超星系团为参照,其直径约为2亿光年,内含1000至2000个星系。那么,若BOSS J0210+0052仅拥有400多个星系,这样的数量是否显得有些不足呢?研究团队利用氢原子的莱曼α特征辐射来追踪星系物质,然而莱曼α辐射在传播过程中可能会遭受吸收和散射现象。这或许会导致我们未能探测到类星体周围存在的星系。斯隆巡天观测到的类星体与昴星团望远镜所观测到的星系存在部分重叠,但并非完全吻合。此外,类星体的总数也可能并非最终结论,或许还有未被发现的类星体存在。昴星团望远镜的口径达到了8.3米,相较之下,斯隆巡天的口径仅有2.5米,被称作“小”镜子。如此一来,两者的极限星等差距竟有3、4个星等之多。

这是一张展示地球所在本超星系团的模拟图像。图中中心位置标示了本星系群(Local Group)。几个规模更大、地位更显赫的星系集团,如室女座星系团(Virgo Cluster)、天炉座星系团(Fornax Cluster)和波江座星系团(Eridanus Cluster),均以黄色突出显示。(资料来源:Richard Powell)

在分析类星体的特性以及星系发展的规律时,我们可以进行一些推测。例如,类星体所发出的强烈辐射可能构成了一片“禁地”,这或许阻止了邻近星系的诞生;又或者,这些辐射将气体吹散,使得我们难以追踪到更多的星系,从而产生了类星体周边星系密度偏低的错觉。此外,目前我们所观察到的天体形态,让人联想到与我们相距不远的“子弹星系团”。这两个尚未完全成形的原星系团正在发生碰撞,这一过程引发了类星体活动,并导致了气体分布的变动。

子弹星系团中,蓝色部分揭示了通过引力透镜技术推算出的星系团质量分布情况;紫色区域则显示了钱德拉空间望远镜捕捉到的X射线辐射,这一发现揭示了气体正以极高的速度发生碰撞。信息来源于NASA/CXC/M. Weiss。

类星体源自宇宙的青春时期,它们在宇宙的宏大结构和星系的发展演变中扮演着至关重要的角色。被誉为“宇宙喜马拉雅山脉”的这些区域,可能隐藏着宇宙历史中的众多重大谜题。

参考资料:

李永明等人发表在2025年《天体物理学报》第986卷第60号上的研究论文《宇宙喜马拉雅:在10,000平方度的天区中发现的最高类星体密度峰值,以及星系、类星体和星际介质HI之间的空间差异》(DOI: 10.3847/1538-4357/adc1bb)。

宇宙喜马拉雅山脉类星体团挑战了科学解释,(详见:https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2025/20250603-subaru.html)

斯隆数字巡天项目第五阶段,即Sloan Digital Sky Survey in the Fifth Phase(SDSS-V),详情请访问:http://www.swifar.ynu.edu.cn/gjhz_Collaborations/slszxtxmdwq_SDSS_V.htm。

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