宇宙黎明中的閃變信號(hào)

在宇宙中，大約10%的星系擁有一個(gè)明亮發(fā)光的中心，稱為活動(dòng)星系核。天文學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)星系中心的超大質(zhì)量黑洞周圍形成一個(gè)氣體盤，并且氣體開(kāi)始被黑洞吸入時(shí)，活動(dòng)星系核便會(huì)形成。在如此極端的引力環(huán)境下，盤中的摩擦?xí)褮怏w加熱到極高溫度，使其釋放出強(qiáng)烈輻射。

類星體是活動(dòng)星系核的一種。在近鄰宇宙中，類星體會(huì)隨著時(shí)間推移出現(xiàn)亮度變化，這一點(diǎn)早已為人所知。這種亮度變化為研究物質(zhì)如何吸積到超大質(zhì)量黑洞上提供了一個(gè)有力工具，也可以用來(lái)直接測(cè)量超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。然而，要探測(cè)早期宇宙中類星體的亮度變化，仍然十分困難。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然·天文》的研究中，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)探測(cè)到了一顆來(lái)自極早期宇宙的閃變類星體。這顆類星體所發(fā)出的光可以追溯到大爆炸后僅約8.5億年的“宇宙黎明”時(shí)期。研究人員探測(cè)到了多波段紅外和X射線亮度變化。這一發(fā)現(xiàn)代表了迄今探測(cè)到的最早的閃變類星體。

超越針尖般的光點(diǎn)

超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量可以達(dá)到太陽(yáng)的數(shù)十億倍。這些引力巨獸是大多數(shù)星系的中央“引擎”，有助于調(diào)控星系中的恒星形成和星系成長(zhǎng)。

長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)家都認(rèn)為第一批星系需要超過(guò)10億年的時(shí)間才能逐漸穩(wěn)定并走向成熟，因此在極早期宇宙中探測(cè)到超大質(zhì)量黑洞并不符合他們的預(yù)期。然而，自2000年以來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)在宇宙誕生后的第一個(gè)10億年內(nèi)發(fā)現(xiàn)了200多個(gè)超大質(zhì)量黑洞。這些天體之所以能夠被探測(cè)到，是因?yàn)樗鼈冋幱跇O其活躍的類星體階段，會(huì)釋放出猛烈的輻射爆發(fā)，使得遠(yuǎn)在約130億光年之外的地球也能看到它們。

這些最早期的類星體在觀測(cè)中呈現(xiàn)出針尖般的光點(diǎn)，暗示著在早期宇宙中就已經(jīng)存在超大質(zhì)量黑洞。但僅憑這些明亮而遙遠(yuǎn)的微小光點(diǎn)，天文學(xué)家很難進(jìn)一步了解這些黑洞以及它們所處的宇宙黎明環(huán)境。要做到這一點(diǎn)，他們需要捕捉類星體的“閃變”。

被宇宙拉長(zhǎng)的光與時(shí)間

天文學(xué)家早已知道，近鄰宇宙中的類星體會(huì)發(fā)生閃變。這種閃變?cè)醋杂跉怏w被輸送進(jìn)黑洞過(guò)程中的波動(dòng)。通過(guò)捕捉類星體的閃變，天文學(xué)家能獲悉一些關(guān)于黑洞吸積盤結(jié)構(gòu)的信息，也能透露黑洞正在“吞食”怎樣的物質(zhì)。

若要探測(cè)到一顆來(lái)自早期宇宙的閃變類星體，從而進(jìn)一步了解最早期超大質(zhì)量黑洞的形狀和結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上面臨巨大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)?，一個(gè)天體在時(shí)間和空間上距離我們?cè)竭b遠(yuǎn)，它發(fā)出的光看起來(lái)就越容易畸變。這種效應(yīng)源于宇宙膨脹，宇宙膨脹會(huì)把光拉伸，使其向更紅、波長(zhǎng)更長(zhǎng)的方向發(fā)生“紅移”。同樣的拉伸也會(huì)發(fā)生在時(shí)間尺度上，例如原本在數(shù)周內(nèi)自然發(fā)生的閃變，如果從數(shù)十億光年之外觀測(cè)，就會(huì)被拉長(zhǎng)，看起來(lái)像是每隔幾個(gè)月才閃變一次。

要發(fā)現(xiàn)來(lái)自宇宙黎明時(shí)期的閃變類星體，就需要在更紅的波段，尤其是紅外波段，對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙進(jìn)行持續(xù)多年的長(zhǎng)期觀測(cè)。

意外平坦的吸積盤

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)在NEOWISE任務(wù)收集的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了這種閃變信號(hào)。NEOWISE是一臺(tái)天基紅外望遠(yuǎn)鏡，在約14年的時(shí)間里對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行了掃描。通過(guò)分析NEOWISE的數(shù)據(jù)，研究人員挖掘出了一個(gè)來(lái)自大爆炸后僅8.5億年的信號(hào)，并確認(rèn)它是迄今發(fā)現(xiàn)的最早閃變類星體。

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，這顆類星體在14年間隨機(jī)閃變，很像蠟燭火焰那種沒(méi)有固定模式的跳動(dòng)。據(jù)估計(jì)，這顆類星體的亮度相當(dāng)于12萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)，其閃變幅度約為20%。也就是說(shuō)，它的亮度上下波動(dòng)的幅度大約相當(dāng)于2萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)的亮度。

與此同時(shí)，研究人員還追蹤了這顆類星體在多個(gè)不同波長(zhǎng)上的閃變情況。光的波長(zhǎng)可以反映發(fā)光物質(zhì)的溫度——物質(zhì)越靠近黑洞，溫度就越高。因此，研究人員可以利用不同波長(zhǎng)的光，繪制出黑洞周圍吸積盤內(nèi)物質(zhì)的形狀和結(jié)構(gòu)。

通過(guò)分析這顆類星體的閃變，研究人員得出了一個(gè)令人意外的結(jié)果：這顆古老類星體周圍由氣體和塵埃構(gòu)成的吸積盤，平坦得像一張扁平的薄餅——這樣的結(jié)構(gòu)通常見(jiàn)于近鄰宇宙中較古老的黑洞系統(tǒng)，因?yàn)檫@些系統(tǒng)經(jīng)歷了更長(zhǎng)時(shí)間的演化，吸積盤結(jié)構(gòu)也更趨穩(wěn)定。

撲朔迷離的問(wèn)題

這項(xiàng)研究首次提供了直接證據(jù)，表明天文學(xué)家在近鄰宇宙中觀測(cè)到的相同吸積過(guò)程和結(jié)構(gòu)，早在宇宙非常早期就已經(jīng)存在了，盡管當(dāng)時(shí)的宇宙環(huán)境截然不同。

物理學(xué)家原本認(rèn)為，平坦的吸積盤通常意味著黑洞周圍的吸積系統(tǒng)已經(jīng)較為穩(wěn)定。相比之下，極早期宇宙中那些剛開(kāi)始形成的黑洞系統(tǒng)，理應(yīng)更加動(dòng)蕩，吸積盤也應(yīng)顯得更加膨脹、混亂。而這個(gè)極早期類星體周圍的平坦吸積盤，讓問(wèn)題變得更加撲朔迷離：超大質(zhì)量黑洞究竟如何能在極短的宇宙時(shí)間內(nèi)迅速成長(zhǎng)并走向穩(wěn)定？

為了更好地解答這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步回望更早的宇宙時(shí)間，捕捉類星體在形成初期、尚未穩(wěn)定下來(lái)的狀態(tài)。這樣，天文學(xué)家或許就能逐步還原出第一批超大質(zhì)量黑洞誕生和快速成長(zhǎng)所需的環(huán)境條件。

#參考來(lái)源：

https://news.mit.edu/2026/mit-astronomers-discover-earliest-known-flickering-quasar-0608

https://www.nature.com/articles/s41550-026-02897-4

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：NASA/JPL-Caltech