當(dāng)天文學(xué)家在20世紀(jì)50年代的全天空無線電觀測中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀物體時(shí)，他們并不確定如何對(duì)它們進(jìn)行分類。它們是恒星、星系還是其他什么東西？一個(gè)偉大的、新的探索領(lǐng)域就此開啟。這些準(zhǔn)恒星的射電源被稱為類星體，今天我們更好地理解了它們真正的魅力所在。

類星體是活躍的超大質(zhì)量黑洞，通過光線顯示出自己。氣體和塵埃圍繞著這些超大質(zhì)量黑洞不斷摩擦并產(chǎn)生熱量和光，這些我們是可以探測到的。

目前已知的三個(gè)最遙遠(yuǎn)的類星體則都是從2018年之后發(fā)現(xiàn)的--每個(gè)都位于130多億光年之外。詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將為研究人員提供這些天體在高分辨率紅外光下的新視角。通過利用這些強(qiáng)大的數(shù)據(jù)，一個(gè)研究小組將完善對(duì)其黑洞質(zhì)量的計(jì)算、詳細(xì)了解其宿主星系中的恒星并調(diào)查其附近的星系。更重要的是，他們的研究可能會(huì)影響我們?nèi)绾慰创@個(gè)宇宙的早期時(shí)代。

用NASA韋伯望遠(yuǎn)鏡探究古老的超大質(zhì)量黑洞

非常遙遠(yuǎn)的、活躍的超大質(zhì)量黑洞是宇宙中最明亮的燈塔。這些被稱為類星體的龐然大物被同樣遙遠(yuǎn)的星系所包圍。近幾十年來，研究人員進(jìn)行了一次宇宙尋寶之旅并在過去三年中發(fā)現(xiàn)了三個(gè)已知的最遙遠(yuǎn)的類星體--每個(gè)都離地球超過130億光年。天文學(xué)家推斷，超大質(zhì)量黑洞及其伴隨的星系可能需要數(shù)十億年的時(shí)間才能形成。不過這些類星體怎么可能在宇宙的最初7億年里變得如此巨大且擁有數(shù)十億太陽質(zhì)量？一旦能看清它們的光芒，它們伴隨的星系會(huì)是什么樣子的？它們的“鄰居”又會(huì)是什么樣子的？

這些都是亞利桑那大學(xué)的Xiaohui Fan和Jinyi Yang以及德國海德堡馬克斯-普朗克天文研究所的Eduardo Ba?ados以及一個(gè)國際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)將通過詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的觀測展開的研究內(nèi)容?！斑@些都是非常有價(jià)值的天體，”Fan說道，“我們構(gòu)建這個(gè)計(jì)劃是為了學(xué)習(xí)我們能想到的一切以便我們的團(tuán)隊(duì)和更大的天文界能夠充分探索這些類星體?！?/p>

韋伯對(duì)紅外光的敏感度--包括只能從太空中捕捉到的中紅外波長--將使團(tuán)隊(duì)能夠觀察到這些天體，它們的光已經(jīng)走過了130億年，其波長已經(jīng)從紫外線和可見光延伸到紅外光。韋伯具有無與倫比的靈敏度和空間分辨率，這些將幫助揭示這些遙遠(yuǎn)天體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

研究小組計(jì)劃在三個(gè)范圍內(nèi)觀察和分析數(shù)據(jù)：仔細(xì)檢查類星體本身、在去除類星體的光線后研究周圍宿主星系中的恒星、對(duì)附近的星系進(jìn)行分類?！斑@些類星體是非常特殊的物體，這就是為什么我們想用韋伯為每個(gè)（類星體）提供盡可能好的特征，”Ba?ados說道。

“放大”--和縮小

Fan、Yang和Ba?ados沒有浪費(fèi)任何機(jī)會(huì)。他們將使用韋伯上幾乎所有可用的儀器來觀測這些類星體。首先，他們將完善對(duì)每個(gè)超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量的測量。Yang指出：“這些黑洞的存在挑戰(zhàn)了理論模型。我們希望獲得對(duì)它們質(zhì)量的更精確測量以提高我們對(duì)它們?nèi)绾涡纬珊涂焖僭鲩L的理解。”

為了提高來自其他天文臺(tái)的現(xiàn)有測量結(jié)果的精確度，他們將轉(zhuǎn)向光譜--由韋伯的近紅外光譜儀()NIRSpecBa?ados提供的詳細(xì)說明一個(gè)天體物理特性的數(shù)據(jù)，其中包括質(zhì)量和化學(xué)成分。這將使該團(tuán)隊(duì)能夠產(chǎn)生更準(zhǔn)確的黑洞質(zhì)量。

接下來，他們將重點(diǎn)揭示類星體亮光背后的星系。他們將用韋伯的近紅外相機(jī)(NIRCam)為每個(gè)目標(biāo)拍攝非常深入、詳細(xì)的圖像，然后用計(jì)算機(jī)模型將類星體的光從每個(gè)目標(biāo)中去除。最后，經(jīng)過處理的圖像將使他們首次看到來自宿主星系中恒星的光線。該小組還將用韋伯的中紅外儀器(MIRI)獲得光譜。沒有人能完全預(yù)測他們會(huì)學(xué)到什么。這些古老的星系是否更加緊湊？它們的恒星是否包含更多的氫和氦？韋伯肯定會(huì)帶來新的見解。

另外，研究小組還將獲得類星體及其宿主星系的光譜以追蹤氣體在宿主星系中是如何運(yùn)動(dòng)的，另外還將確定活躍的超大質(zhì)量黑洞是否會(huì)發(fā)出熱風(fēng)進(jìn)而加熱星系的氣體。盡管沒有人能夠?qū)崟r(shí)觀察一個(gè)完整的反饋環(huán)路，但他們可以用NIRSpec對(duì)存在的東西進(jìn)行采樣并開始觀察類星體和其宿主星系之間的聯(lián)系。

此外，他們還將“放大”來觀察這些類星體附近的星系。韋伯廣泛的高分辨率觀測將幫助研究小組通過使用韋伯的近紅外成像儀和無縫隙光譜儀(NIRISS)和NIRCam來描述附近的星系。

最后，研究人員還將對(duì)類星體周圍的大尺度環(huán)境進(jìn)行采樣--氣體和塵埃的特征。宇宙在大爆炸后的7、8億年里是什么樣子？這是一個(gè)被稱為“重化時(shí)代”的時(shí)期，當(dāng)時(shí)星系之間的氣體基本上是不透明的。只有在宇宙的第一個(gè)10億年后，氣體才變得完全透明進(jìn)而使光更容易傳播。該小組將用NIRSpec測量我們和類星體之間的一切。“我們知道，這些類星體存在于宇宙約百分之五十的中性時(shí)，”Ba?ados解釋說，“這些目標(biāo)代表了宇宙的一個(gè)重要時(shí)代--基本上是這個(gè)過渡時(shí)期的高峰。韋伯將提供關(guān)于這一時(shí)期的新的約束條件?！?/p>

Fan、Yang和Ba?ados將通過向天文界發(fā)布數(shù)據(jù)和工具來分享這一徹底的觀測計(jì)劃的財(cái)富以加速對(duì)早期宇宙中類星體的整體研究。Fan說道：“韋伯將幫助我們?cè)诶斫膺@些天體方面實(shí)現(xiàn)下一個(gè)飛躍?！?/p>

據(jù)悉，這項(xiàng)研究將作為韋伯的General Observer項(xiàng)目的一部分進(jìn)行，這些項(xiàng)目是通過雙匿名審查系統(tǒng)競爭性選擇的，跟哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間分配系統(tǒng)相同。

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