宇宙中充满了星系,其中许多都包含超大质量黑洞。这引发了一个问题:星系和黑洞哪个先出现?由于詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)第一年的观测,答案变得非常清楚。黑洞从最早的时候就存在于宇宙中,伴随着最初的星系。而且,它们帮助塑造了我们今天观察到的宇宙。
天文学家曾经对早期宇宙中的事物如何形成有一个层次化的看法。他们认为最早的恒星首先形成,然后是最早的星系。然后黑洞出现了,而且看起来它们生长得非常快。然而,JWST 的观测暗示了不同的时间线:超大质量黑洞很可能在宇宙历史的第一个“时代”就已经存在了。它们加速了早期宇宙中新恒星的形成,即使它们与星系一起成长。这是约瑟夫·希尔克(Joseph Silk)和天文学家团队的说法,他们刚刚发表了对 JWST 图像和望远镜第一年数据的分析。他们认为,在宇宙存在的最初一亿年里,黑洞和星系共存并影响着彼此的发展。
“我们知道这些巨大的黑洞存在于我们银河系附近的星系中心,但现在最大的惊喜是它们也存在于宇宙之初,几乎就像早期星系的基石或种子,”说。西尔克是约翰·霍普金斯大学和巴黎索邦大学天体物理研究所的物理学和天文学教授。“它们确实促进了一切,就像恒星形成的巨大放大器,这完全颠覆了我们之前认为可能发生的事情,以至于这可能会彻底改变我们对星系形成方式的理解。”
JWST 的数据揭示了距我们约 134 亿光年的最早星系。预计这台望远镜将能够追溯到更早的时间,以发现第一颗恒星。图片由 NASA/ESA/JWST 提供。
关于黑洞和星系的传统观点
几十年来,天文学家一直认为,第一个恒星黑洞是在最早的超大质量恒星生命终结时形成的。这些恒星经常被描述为婴儿宇宙中的怪物和孤独者。它们的寿命非常短,并在巨大灾难性的超新星事件中爆炸,将其大部分外层炸到太空中。剩余的核心坍塌并形成了一些最早的恒星黑洞。黑洞可能会结合并积累更多的物质,从而在星系中心形成第一个超大质量黑洞的种子。
与此同时,关于星系的传统观点认为,星系是在巨大的气体云塌陷时形成的。恒星形成的浪潮可能伴随着更多的恒星黑洞。
这种传统观念并非完全错误。然而,它并不能解释宇宙早期就存在的超大质量黑洞——远远早于它们应该存在的时间。天文学家仍在努力了解这一点。而且,它并不能解释为什么一些非常早期的星系看起来如此明亮。但是,这就是早期超大质量黑洞发挥作用的地方。西尔克说,早期气体云中还发生了其他事情——一些不寻常的事情。“令人惊讶的是,云的中间有一颗种子——一个大黑洞——它帮助云的内部迅速变成恒星,速度比我们预期的要快得多。所以最初的星系非常明亮。”