超级计算机生成的"宇宙"揭示了黑洞的成长过程

超级计算机生成的"宇宙"揭示了黑洞的成长过程黑洞被事件视界所包围，这是一个神秘的、不可见的层，没有任何东西可以从中逃脱，无论是物质、光还是信息。这意味着，事件视界吞噬了关于黑洞过去的每一点证据。亚利桑那大学斯图尔德天文台副教授、日本国家天文台（NAOJ）项目研究员彼得-贝赫罗兹说："由于这些物理事实，人们一直认为不可能测量黑洞是如何形成的。"Behroozi和Steward的博士生HaowenZhang一起领导一个国际团队，使用机器学习和超级计算机来重建黑洞的生长历史，有效地剥开它们的事件视界，揭示出黑洞之外的蛛丝马迹。对数以百万计的计算机生成的"宇宙"的模拟显示，超大质量黑洞与它们的主星系同步成长，这一论点已经被怀疑了20年，但科学家们直到现在才能够确认这种关系。一篇包含该团队发现的论文已经发表在《皇家天文学会月刊》上。"如果你回到宇宙中更早更早的时代，你会发现完全相同的关系是存在的，"该论文的共同作者Behroozi说。"因此，随着星系由小变大，它的黑洞也在由小变大，与我们今天在整个宇宙的星系中看到的完全一样。"大多数（如果不是全部）散布在宇宙中的星系被认为在其中心有一个超大质量的黑洞。这些黑洞的质量超过太阳的10万倍，有些黑洞的质量达到数百万甚至数十亿太阳质量。天体物理学最令人困惑的问题之一是这些庞然大物是如何快速成长的，以及它们首先是如何形成的。为了找到答案，Zhang、Behroozi和他们的同事创建了Trinity平台，该平台使用一种新的机器学习形式，能够在一台超级计算机上生成数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵守不同的物理理论，说明星系应该如何形成。研究人员建立了一个框架，在这个框架中，计算机为超大质量黑洞如何随时间增长提出了新规则。然后他们用这些规则来模拟虚拟宇宙中数十亿黑洞的生长，并"观察"虚拟宇宙，以测试它是否与几十年来对整个真实宇宙中的黑洞的实际观察结果一致。在提出和拒绝了数以百万计的规则集之后，计算机最终确定了最能描述现有观测结果的规则。"我们正试图了解星系如何形成的规则，"Behroozi说。"简而言之，我们让Trinity猜测物理规律可能是什么，并让他们在一个模拟的宇宙中进行，看看这个宇宙的结果如何。它看起来到底像不像真实的宇宙？"根据研究人员的说法，这种方法对宇宙内部的其他东西同样有效，而不仅仅是星系。该项目名称"Trinity"是指其三个主要的研究领域：星系、它们的超大质量黑洞和它们的暗物质光环--巨大的暗物质茧，如果直接测量是看不到的，但其存在对于解释各地星系的物理特性是必要的。在之前的研究中，研究人员使用他们框架的早期版本，即UniverseMachine来模拟数以百万计的星系及其暗物质晕轮。研究小组发现，在其暗物质光环中生长的星系遵循光环质量和星系质量之间的一种非常具体的关系。"在我们的新工作中，我们在这种关系中加入了黑洞，"Behroozi说，"然后问黑洞如何在这些星系中生长，以重现人们对它们的所有观察。""我们对黑洞质量有非常好的观察，"论文的主要作者张说。"然而，这些在很大程度上被限制在本地宇宙。当你看得越远，准确测量黑洞的质量和它们的宿主星系之间的关系变得越来越困难，甚至最终不可能。由于这种不确定性，观测不能直接告诉我们这种关系在整个宇宙中是否成立。"Trinity不仅使天体物理学家能够避开这一限制，而且还能避开单个黑洞的事件视界信息障碍，方法是将数百万个观察到的处于不同成长阶段的黑洞的信息拼接起来。尽管没有一个黑洞的历史可以被重建，但研究人员可以测量所有黑洞的平均生长历史。黑洞放入模拟星系，并输入关于它们如何生长的规则，你可以把产生的宇宙与我们拥有的所有实际黑洞的观测结果进行比较。然后可以重建宇宙中任何黑洞和星系从今天到宇宙开始时的样子。"模拟结果揭示了另一个令人困惑的现象。超大质量黑洞--就像在银河系中心发现的那个--在其初生期增长最为旺盛，当时宇宙只有几十亿年的历史，只是在随后的时间里，在过去100亿年左右的时间里急剧放缓。"我们已经知道一段时间，星系有这种奇怪的行为，它们形成新星的速度达到了一个高峰，然后随着时间的推移逐渐减少，再后来，它们完全停止了形成恒星，"Behroozi说。"现在，我们已经能够证明黑洞也是如此：在与它们的宿主星系相同的时间增长和关闭。这证实了数十年来关于星系中黑洞增长的假设。"这一结果带来了更多的问题，黑洞比它们所处的星系小得多，如果银河系按比例缩小到地球的大小，那么它的超大质量黑洞将是这句话末尾的句号大小。要使黑洞的质量在与大星系相同的时间范围内增加一倍，需要在巨大的不同尺度上实现物质流动的同步。黑洞如何与星系合谋以实现这种平衡尚待了解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335923.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335923.htm

天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系

天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系最近发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究表明，黑洞的质量接近太阳质量的十亿倍，而宿主星系的质量几乎是太阳质量的一百倍，这一比例与近代宇宙中发现的情况相似。斯巴鲁望远镜和JWST的强大组合为研究遥远的宇宙铺平了一条新的道路。遥远宇宙中存在如此巨大的黑洞，给天体物理学家带来了更多的问题，而不是答案。宇宙如此年轻，这些黑洞怎么可能长得如此巨大？更令人费解的是，对本地宇宙的观测表明，超大质量黑洞的质量与它们所在的更大的星系之间存在着明显的关系。星系和黑洞的大小完全不同，那么是黑洞先出现还是星系先出现呢？这是一个宇宙尺度上的"先有鸡还是先有蛋"的问题。JWSTNIRCam3.6μm拍摄的HSCJ2236+0032图像。放大图像、类星体图像以及减去类星体光线后的宿主星系图像（从左到右）。每幅图像中都标明了以光年为单位的图像比例。图片来源：Ding,Onoue,Silverman,etal.由卡夫利宇宙物理与数学研究所（KavliIPMU）项目研究员丁旭恒和约翰-西尔弗曼教授，以及北京大学卡夫利天文与天体物理研究所（PKU-KIAA）卡夫利天体物理学研究员小野上正夫萨领导的国际研究团队，已经开始利用2021年12月发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）来回答这个问题。研究宇宙早期宿主星系和黑洞之间的关系可以让科学家观察它们的形成过程，了解它们之间的关系。类星体很亮，而它们的宿主星系却很暗，这使得研究人员很难在类星体的强光下探测到星系的暗光，尤其是在很远的距离上。在JWST出现之前，哈勃太空望远镜能够探测到明亮类星体的宿主星系，当时宇宙的年龄还不到30亿年，但已经不再年轻了。美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜将其主镜完全展开，形成在太空中时的构型。图片来源：NASA/ChrisGunnJWST在红外波段的超高灵敏度和超清晰图像终于让研究人员能够将这些研究推向类星体和星系最初形成的时间。就在JWST开始正常运行几个月后，研究小组观测到了两颗类星体，分别是HSCJ2236+0032和HSCJ2255+0251，红移分别为6.40和6.34，当时宇宙的年龄大约为8.6亿年。这两颗类星体是在夏威夷毛纳凯亚山顶的8.2米苏巴鲁望远镜的深度巡天计划中发现的。这两颗类星体的光度相对较低，是测量宿主星系特性的主要目标，宿主星系的成功探测代表了迄今为止在类星体中探测到星光的最早时间。卡弗利IPMU项目研究员丁旭恒、约翰-西尔弗曼（JohnSilverman）教授和卡弗利天文学和天体物理学研究所（PKU-KIAA）卡弗利天体物理学研究员MasafusaOnoue（左起）。图片来源：卡弗里国际天文物理研究所、卡弗里国际天文物理研究所、MasafusaOnoue这两颗类星体的图像是用JWST的NIRCam仪器以3.56和1.50微米的红外波长拍摄的，在仔细建模并减去来自吸积黑洞的眩光后，宿主星系变得清晰可见。在JWST的近红外光谱仪为J2236+0032拍摄的光谱中也可以看到宿主星系的恒星特征，这进一步支持了宿主星系的探测。对宿主星系光度的分析发现，这两个类星体宿主星系的质量很大，分别是太阳质量的1300亿倍和340亿倍。通过近红外光谱仪光谱对类星体附近湍流气体速度的测量表明，为类星体提供能量的黑洞质量也很大，分别是太阳质量的14亿倍和2亿倍。黑洞质量与宿主星系质量之比类似于近期星系的质量，这表明黑洞与其宿主星系之间的关系在宇宙大爆炸后8.6亿年就已经存在了。丁、西尔弗曼、奥努埃和他们的同事将利用计划中的第一周期JWST观测，用更大的样本继续这项研究，这将进一步制约黑洞及其宿主星系共同演化的模型。研究小组最近得知，他们已经获得了JWST在下一个周期的额外时间来研究黑洞及其宿主星系。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381743.htm

天文学家利用韦伯望远镜识别宇宙网最早的线缕

天文学家利用韦伯望远镜识别宇宙网最早的线缕研究小组认为，这个丝状结构最终将演变成一个巨大的星系团，就像"附近"宇宙中著名的红缨星系团一样。研究结果发表在《天体物理学杂志通讯》（TheAstrophysicalJournalLetters）上的两篇论文中。"这是人们发现的最早的与遥远类星体相关的丝状结构之一，"亚利桑那大学斯图尔特天文台助理研究教授、第一篇论文的第一作者王飞说。王还说，这是第一次在宇宙中如此早期的时间观测到这种结构，而且是三维细节观测。这幅由韦伯近红外相机（Webb'sNIRCam）拍摄的深层星系景象显示了10个遥远星系的排列，这些星系由八个白色圆圈标记，呈对角线状。(这个长达300万光年的丝状结构由一个非常遥远、非常明亮的类星体支撑着--类星体的核心是一个活跃的超大质量黑洞。这颗类星体名为J0305-3150，位于图像右侧三个圆圈的中间。它的亮度超过了它的宿主星系。这10个被标记的星系在宇宙大爆炸后仅存在了8.3亿年。研究小组相信，这个丝状星系最终会演化成一个巨大的星系团。图片来源：NASA、ESA、CSA、FeigeWang（亚利桑那大学），图像处理：约瑟夫-德帕斯卡尔（STScI）星系并不是随意散布在宇宙中的。它们不仅聚集成星团和星块，还形成了巨大的相互连接的丝状结构，中间被巨大的荒芜空洞隔开。这张"宇宙网"一开始很脆弱，随着时间的推移，引力将物质聚集在一起，变得越来越清晰。星系嵌在暗物质的巨大"海洋"中，暗物质和常规物质聚集在局部区域，密度高于周围环境。斯图瓦德大学天文学教授范晓晖（XiaohuiFan）解释说，星系就像海洋中的波峰一样，骑在被称为"细丝"的连续暗物质串上。新发现的暗物质丝标志着在宇宙年龄仅为现在的6%时首次观测到这种结构，原本他们预计会发现一些东西，但没想到会是这么长、这么明显的细结构。这一发现是ASPIRE项目的一部分，该项目是一项大型国际合作项目，由亚利桑那大学的研究人员领导，王是该项目的主要研究人员。ASPIRE是ASPectroscopicsurveyofbiasedhalosIntheReionizationEra的缩写，其主要目标是研究最早黑洞的宇宙环境。该计划将观测25个存在于宇宙大爆炸后最初10亿年内的类星体，这一时期被称为"宇宙再电离时代"。130多亿年前，在重离子时代，宇宙是一个非常不同的地方。星系之间的气体在很大程度上对高能光不透明，因此很难观测到年轻的星系。是什么让宇宙变得完全电离或透明，最终导致在今天的大部分宇宙中探测到"清晰"的条件呢？詹姆斯-韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）将深入太空，收集更多关于重离子时代存在的天体的信息，帮助我们了解宇宙历史上的这一重大转变。图片来源：NASA、ESA和J.Kang（STScI）"团队成员、加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫-亨纳维（JosephHennawi）说："过去二十年的宇宙学研究让我们对宇宙网的形成和演化有了深入的了解。"ASPIRE旨在了解如何将最早的大质量黑洞的出现嵌入到我们当前的宇宙结构形成故事中"。研究的另一部分是调查年轻宇宙中八颗类星体的特性。研究小组证实，这些类星体的中心黑洞在宇宙大爆炸后不到10亿年就已存在，其质量从6亿倍到20亿倍太阳质量不等。天文学家仍在继续寻找证据，以解释这些黑洞为何能如此迅速地变大。要在如此短的时间内形成这些超大质量黑洞，必须满足两个标准。王解释说："首先，你需要从一个巨大的'种子'黑洞开始生长。第二，即使这颗种子一开始的质量相当于一千个太阳，它也需要在相对较短的时间内以最大可能的速度吸积一百万倍以上的物质，因为我们的观测是在它还非常年轻的时候捕捉到它的。"类星体--如图所示，是宇宙中最亮的天体。类星体的超大质量黑洞在吞噬周围环境的质量时释放出的能量被广泛认为是限制大质量星系生长的主要驱动力。资料来源：STScI"这些史无前例的观测为我们提供了关于黑洞如何形成的重要线索。我们了解到，这些黑洞位于大质量年轻星系中，这些星系为黑洞的生长提供了燃料库，"斯图瓦德大学助理研究教授杨金义说，他领导着ASPIRE对黑洞的研究，也是第二篇论文的第一作者。詹姆斯-韦伯太空望远镜还提供了迄今为止最好的证据，证明早期超大质量黑洞如何潜在地调节其星系中恒星的形成。超大质量黑洞在吸积物质的同时，也会产生巨大的物质外流。这些"风"的范围可以远远超出黑洞本身，达到银河系的规模，并对恒星的形成产生重大影响。恒星是在气体和尘埃坍缩成密度越来越大的云团时形成的，这就要求气体非常寒冷。杨解释说，来自黑洞的强风释放出大量能量，会对这一过程造成破坏，从而抑制宿主星系中恒星的形成。"这种风已经在附近的宇宙中观测到过，但在宇宙的早期，即重子化纪元，还从未被直接观测到过。风的规模与类星体的结构有关。在韦伯望远镜的观测中，我们看到这种风延伸至整个星系，影响着星系的演化。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372027.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372027.htm

宇宙泰坦：天文学家揭开超大质量黑洞的起源

宇宙泰坦：天文学家揭开超大质量黑洞的起源超大质量黑洞（SMBH；中心的小黑点）会吸收周围的物质，这些物质在流入黑洞时会形成一个螺旋状的圆盘。物质的引力能量转化为辐射，并从圆盘中发射出去。具有这种闪亮外围的SMBH被称为"类星体"。资料来源：松冈良树这种密切的关系意味着星系和SMBH是共同进化的。因此，揭示SMBH的起源不仅对了解SMBH本身至关重要，而且对阐明可见宇宙的主要组成部分--星系的形成过程也至关重要。解决这个问题的关键在于早期宇宙，在早期宇宙中，自宇宙大爆炸（即宇宙开始）以来所经过的时间还不到十亿年。由于光速有限，我们可以通过观测遥远的宇宙来回顾过去。当宇宙只有十亿岁或更小的时候，SMBH是否就已经存在了呢？我们用斯巴鲁望远镜拍摄的夜空照片示例。放大图像中心的小红点代表来自遥远类星体的光线，它存在于宇宙8亿岁时（130亿光年远）。图片来源：日本国立天文台黑洞是否有可能在如此短的时间内获得如此大的质量（超过一百万太阳质量，有时甚至达到数十亿太阳质量）？如果可能，其基本物理机制和条件是什么？要接近SMBH的起源，我们需要观测它们，并将它们的特性与理论模型的预测进行比较。要做到这一点，首先需要确定它们在天空中的位置。研究小组利用位于夏威夷毛纳凯亚山顶的斯巴鲁望远镜进行了本次研究。斯巴鲁望远镜最大的优势之一就是它的宽视场观测能力，这一点特别适合这项研究。由于超巨型天体不发光，研究小组寻找的是一种被称为"类星体"的特殊类别--超巨型天体的外围闪闪发光，下沉物质在那里释放引力能量。他们观测了相当于5000倍满月的广阔天空区域，成功发现了162个居住在早期宇宙中的类星体。其中，22个类星体存在于宇宙年龄不到8亿年的时代，这是迄今为止发现类星体的最古老时期。由于发现了大量类星体，他们得以确定最基本的测量方法，即"光度函数"，它描述了类星体的空间密度与辐射能量的函数关系。他们发现，类星体在宇宙早期的形成速度非常快，而光度函数的整体形状（除振幅外）却随着时间的推移而保持不变。光度函数描述了空间密度（纵轴为Φ）与辐射能量（横轴为M1450）的函数关系。天文学家绘制了在宇宙年龄为8亿年（红点）、9亿年（绿菱形）、12亿年（蓝方）和15亿年（黑三角）时观测到的类星体的光度函数。曲线代表最佳拟合函数形式。类星体的空间密度随着时间的推移急剧上升，而光度函数的形状几乎没有变化。资料来源：《天体物理学杂志通讯》，949,L42,2023年光度函数的这一特征行为为理论模型提供了强有力的约束，这些理论模型最终可以重现所有观测数据，并描述SMBH的起源。另一方面，众所周知，宇宙在其早期经历了被称为"宇宙再电离"的重大相变。过去的观测表明，整个星系际空间在这一事件中被电离。电离能量的来源仍有争议，类星体的辐射被认为是一个有希望的候选者。通过对上述光度函数进行积分，我们发现类星体在早期宇宙中每侧1光年的单位体积内每秒发出1028个光子。这还不到当时维持星系际空间电离状态所需的光子的1%，因此表明类星体对宇宙再电离的贡献微乎其微。根据最近的其他观测结果，这可能是正在形成的星系中来自大质量热恒星的综合辐射。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381157.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381157.htm

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体

黑洞在宇宙大爆炸后不到十亿年形成类星体早期宇宙中似乎不可能存在超大质量黑洞，这已经是个问题了；詹姆斯-韦伯太空望远镜发现了更早的超大质量黑洞星系，这只会让问题变得更糟。在最新的例子中，研究人员利用韦伯望远镜描述了一个由超大质量黑洞驱动的类星体，它存在于宇宙大爆炸后大约7.5亿年。它看起来正常得令人震惊。类星体是宇宙中最亮的天体，由主动进食的超大质量黑洞提供能量。它们周围的星系为它们提供了足够的物质，使它们形成了明亮的吸积盘和强大的喷流，两者都会释放出大量的辐射。它们通常有一部分被尘埃笼罩，尘埃吸收了黑洞释放的部分能量后会发光。这些类星体发出的辐射量非常大，最终会把附近的一些物质完全赶出星系。因此，早期宇宙中存在的这些特征将告诉我们，超大质量黑洞不仅存在于早期宇宙中，而且还与星系融为一体，就像近代的星系一样。但是要研究它们却非常困难。首先，我们发现的超大质量黑洞并不多；只有九颗类星体可以追溯到8亿年前的宇宙。由于距离太远，很难分辨出它们的特征，而且宇宙膨胀引起的红移将许多元素的强烈紫外线辐射带到了红外线深处。然而，韦伯望远镜是专门为探测早期宇宙中的天体而设计的，它对这种辐射出现的红外线波长非常敏感。因此，新的研究是基于将韦伯望远镜对准九个早期类星体中第一个被发现的类星体--J1120+0641。它看起来并没有什么与众不同，或者至少很像宇宙历史上最近时期的类星体。研究人员对类星体产生的连续辐射进行了分析，发现有明显迹象表明，类星体被嵌入了一个炙热的、布满尘埃的物质甜甜圈中，就像在后来的类星体中看到的那样。这种尘埃的温度略高于一些较新的类星体，但这似乎是这些天体在宇宙历史早期阶段的共同特征。来自吸积盘的辐射在发射光谱中也很明显。通过各种方法估算出的黑洞质量值是太阳质量的109倍，这显然是超大质量黑洞的范畴。还有证据表明，从某些辐射的轻微蓝移来看，类星体正在以大约每秒350公里的速度向外喷射物质。有几个奇怪的现象。一是物质似乎还在以每秒约300公里的速度向内坠落。这可能是由于吸积盘中的物质远离我们而旋转造成的。但如果是这样的话，在吸积盘的另一侧向我们旋转的物质也应该与之相匹配。这种现象在非常早期的类星体中也曾出现过几次，但研究人员承认这种效应的物理起源尚不清楚。他们提出的一种解释是，整个类星体都在移动，由于早先与另一个超大质量黑洞合并，类星体被震出了星系中心的位置。另一个奇怪的现象是，高度电离碳的外流速度也非常快，大约是类星体后期外流速度的两倍。这种情况以前也出现过，但也没有任何解释。尽管有些奇怪，但这个天体看起来很像近代的类星体，观测结果表明，尘埃环和（吸积盘）的复杂结构可以在宇宙大爆炸后不到760Myr的时间内在（超大质量黑洞）周围建立起来。同样，这也是个问题，因为它表明在宇宙历史的早期，就有一个超大质量黑洞与其宿主星系融为一体。黑洞要想达到这里所看到的大小，就必须突破所谓的"爱丁顿极限"--在产生的辐射驱赶掉邻近的物质、掐断黑洞的食物供应之前，黑洞所能吸入的物质数量。这说明有两种可能。一种是这些天体在其历史的大部分时间里摄取的物质远远超过了爱丁顿极限--这是我们没有观测到的，而且这颗类星体也绝对不是这样。另一种可能是，它们一开始的质量就很大（大约是太阳质量的104倍），并以更合理的速度不断进食。但我们并不清楚这么大的东西是如何形成的。因此，早期宇宙仍然是一个相当令人困惑的地方。DOI:10.1038/s41550-024-02273-0...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435229.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435229.htm

韦伯望远镜发现迄今最古老黑洞

韦伯望远镜发现迄今最古老黑洞许多星系的中心都有一个超大质量黑洞，但科学家们目前尚不清楚这些黑洞是如何变得如此之大的。一种可能性是，它们由早期恒星坍缩产生的小黑洞形成，随着时间的推移，这些小黑洞结合在一起，形成一个超大质量黑洞。另一种说法是，它们是早期宇宙中大量气体直接塌缩而形成。在最新研究中，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的丽贝卡·拉森及其同事们确定了迄今为止最早的黑洞，根据其与地球的距离，她们认为这个黑洞诞生于宇宙大爆炸后5.7亿年。此外，研究表明，这个黑洞的质量是太阳的1000万倍。拉森指出，这是早期宇宙中黑洞形成和生长的一个非常重要的未知领域，最新研究将有助科学家们揭示此类黑洞的形成原因。为识别出这个黑洞，拉森团队利用韦伯望远镜观察了一个星系，哈勃望远镜此前曾将该星系确定为宇宙早期已知最明亮的星系，但哈勃望远镜一直无法分辨出星系里面是什么。使用两台相机和两台分光镜，韦伯望远镜可分辨出星系发出的光信号的不同成分，并据此发现了这个黑洞。英国谢菲尔德大学的詹姆斯·穆兰尼说，这个黑洞的质量似乎表明，它不是由恒星质量的黑洞发展而来。相关研究已经提交论文预印本网站。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352643.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352643.htm