黑洞射电望远镜

专家解析：韦伯太空望远镜将如何开启对原始黑洞的探索？

Webster 空望远镜团队正在继续进行科学仪器的调试，这是夏季科学运行开始前的最后一步。最近，我们看到了由视界望远镜拍摄的银河系中心黑洞的壮观图像。现代天文学的一个谜题是，每个大星系都有一个巨大的中央黑洞，其中一些黑洞甚至在宇宙早期也大得惊人。

韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)仪器科学组成员Roberto Maiolino为我们解答了韦伯望远镜将如何帮助回答这些问题:

“韦伯即将开启的最激动人心的发现领域之一，就是寻找早期宇宙中的原始黑洞。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，其质量是我们太阳的几百万到几十亿倍。这些超大质量黑洞通过吞噬周围的物质和合并较小的黑洞而变得如此巨大。

最近一个有趣的发现是超大质量黑洞的发现，质量是太阳质量的几十亿倍。它们在宇宙只有大约7亿岁时就已经存在，这只是目前138亿岁的一个零头。这是一个令人费解的结果，因为根据标准理论，在如此早期的年龄，没有足够的时间来生长这个超大质量黑洞。已经提出了一些方案来解决这个问题。

一种可能是早期宇宙第一代恒星死亡产生的黑洞以特别高的速度吸收物质。另一种情况是，原始气体云没有被比氦重的化学元素富集，可以直接坍缩形成一个质量几十万个太阳的黑洞，然后增殖物质，演化成后来观测到的超大质量黑洞。最后，婴儿星系中心的致密核团可能通过恒星碰撞或恒星质量黑洞的合并产生中等质量的黑洞种子，然后通过吸积变大。"

这张来自剑桥大学的图表显示了早期宇宙中已知黑洞(大黑点)和候选黑洞祖先(阴影区域)的数量。

“韦伯即将开启这个领域的新发现空。第一颗黑洞种子可能是在“婴儿宇宙”中首次形成的，就在大爆炸后几百万年。韦伯是理解这些原始物体的完美“时间机器”。其出色的灵敏度使韦伯能够探测到极其遥远的星系，由于星系发出的光到达我们需要时间，我们将看到它们在遥远的过去是什么样子。

韦伯的NIRSpec仪器特别适合鉴别原始黑洞的种子。我和NIRSpec仪器科学组的同事们会在‘活跃’阶段寻找它们的特征，在这个阶段，它们贪婪地吞噬物质，迅速生长。在这些阶段，它们周围的物质变得非常热并发光，并电离它们周围及其宿主星系中的原子。

NIRSpec会将这些系统发出的光分散成光谱，或“彩虹”。活跃黑洞种子的彩虹将由特定的‘指纹’来描述，这是高电离原子的特征。NIRSpec还将测量这些原始黑洞附近运行的气体速度。较小的黑洞将以较低的轨道速度为特征。原始云中形成的黑洞种子将通过没有与任何比氦重的元素相关的特征来识别。

我期待用韦伯前所未有的能力去搜寻这些黑洞原生动物，最终目的是了解它们的性质和起源。早期宇宙和黑洞种子场是一个完全未知的领域，我和我的同事非常兴奋能和韦伯一起探索它。"

——剑桥大学实验天体物理学教授、Kafri宇宙学研究所所长Roberto Maiolino