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我们发现了宇宙早期的超级黑洞和最亮类星体

时间:2015-03-05 整理:docExcel.net


遥远宇宙中拥有巨大黑洞的类星体示意图。图片制作人:李兆聿(上海天文台);背景图片来源于 NASA/JPL-Caltech 和 Misti Mountain Observatory。

  2 月 26 日出版的国际顶级科学期刊《自然》(Nature)上,“研究快报”栏目的第一篇论文,名为《一个红移 6.3、有 12 亿倍太阳质量黑洞的超亮类星体》(An ultra-luminous quasar with a 12 billion solar-mass-black-hole at redshift 6.3)。在这篇论文里,我们团队宣布发现了一颗距离我们 128 亿光年、发光强度是太阳的 430 万亿倍、中心黑洞质量约为太阳 120 亿倍的超亮类星体。它成为了目前已知的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体。

  《自然》杂志还特地为此文作了题为《井喷式快速成长的年轻黑洞》(Young black hole had monstrous growth spurt)的新闻发布,并邀请德国马普天文研究所的布拉姆·维尼曼博士(Bram Venemans)在同期杂志的“新闻与评述”栏目中专门撰写题为《年轻宇宙里的巨兽》(A giant in the young Universe)的文章,评述了我们的这一发现。

  短短几天,国外新闻媒体,包括有线新闻网(CNN)、路透社、华盛顿邮报、时代周刊、美国全国广播公司(NBC)、美国国家地理、发现频道、科学美国人等,以及国内新闻媒体,如中央电视台、新华社、人民日报、光明日报、中国日报、中国科学报等,纷纷将我们的这一发现作为重要新闻进行了报道。北京大学还为此专门召开了新闻专题发布会,有 20 多家国内主要媒体的记者参加。

  黑洞和类星体

  为什么我们的发现会受到大家如此重视?我觉得根本原因在于大家对黑洞的好奇。前几个月很火的电影《星际穿越》,更是把大家对黑洞的兴趣又点燃了。

  顾名思义,黑洞是不发光的。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在。只要物体的半径缩小到某一个半径(史瓦西半径)以内,该物体就会变成一个黑洞。任何物质,包括光,都无法从黑洞的这一半径内逃出。但宇宙中的黑洞基本上都不是孤立的,它强大的引力会吸引周围的物质。这些物质在快速落向黑洞的过程中彼此会“撞车”,从而以类似“摩擦生热”的方式在黑洞周围释放巨大的能量。因此,黑洞在我们看来是否“发光”,取决于它周围有没有大量的物质。

  我们银河系的中心也有一个质量约 400 万倍太阳质量的大黑洞,但这个大黑洞周围几乎没有什么物质来供它“享用”,所以我们银河系中心的黑洞是一个不活跃的“沉睡”中的黑洞,它周围稀少物质的发光强度就很弱。与此相反,宇宙中有些天体其中心黑洞是活跃的,周围有着非常丰富的物质资源,所以黑洞周围的发光巨大。类星体就是这样一类天体。

  类星体是 1963 年被天文学家发现的一类特殊天体,属上世纪 60 年代四大天文发现之一。它们因为看起来是“类似恒星的天体”而得名,实际上却是银河系外能量巨大的遥远天体。它们的中心是猛烈吞噬周围物质的、质量在太阳千万倍以上的超大质量黑洞。这些黑洞周围丰富的物质发出的巨大能量,使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。目前,天文学家通过大型巡天项目已经发现了 20 多万颗类星体,它们分布于宇宙大爆炸后 7 亿年至今,对应的宇宙学红移从 7.085 到 0.05 不等。

  红移是星系和宇宙学家描述距离的一个参量。由于宇宙膨胀,天体在离我们不断远去,导致我们接收到的光的波长比天体本身发出的光更长。二者波长之差与天体原发光波长之比,称为红移。红移越大,意味着天体离我们越远。通过对高红移类星体的研究,人们可以追溯早期宇宙的结构和演化。然而,高红移类星体由于距离太过遥远,虽然自身能量巨大,但在地球上看起来,它们的亮度并不高,因此被发现的数目相对较少。在已发现的 20 多万颗类星体中,距离超过 127 亿光年(即红移大于6)的类星体只有 40 个左右。


研究团队部分成员在北大的合影。右起:易卫敏,王飞格,吴学兵,左文文,杨倩,杨锦怡。图片提供:吴学兵

  寻找类星体

  我国因为缺乏大望远镜,在类星体观测研究方面起步较晚。上世纪 90 年代初,随着 2.16 米望远镜在北京天文台兴隆观测站的建成安装和投入使用,对类星体的观测研究才真正开始。1994 年 3 月,北京天文台赵永恒、钟建霞等在利用兴隆 2.16 米望远镜对一颗X射线源进行光谱观测后,发现它是一颗红移为 0.32 的类星体,这是中国天文学家利用国内天文设备发现的第一颗类星体。当时作为学习观测的博士研究生,我在兴隆观测站亲眼目睹了这一发现的全过程。

  1995 年 5 月,我与魏建彦研究员等利用 2.16 米望远镜发现了 8 颗红移从 0.33 到 1.09 的类星体。1997 年冬季和 1998 年春季,我又与德国学者合作利用 2.16 米望远镜发现了 19 个红移从 0.35 到 2.35 的类星体。从此以后,类星体就成为了我所从事的天文研究的主要对象。

  2008 年我国用于光谱巡天的郭守敬望远镜(LAMOST)建成,我积极投身于 LAMOST 类星体候选体的准备和光谱数据的分析中,并利用 LAMOST 测试阶段的光谱观测发现了一批类星体,红移最高达到 2.77,成为 LAMOST 早期科学成果中的一个亮点。

  2011 年底,云南天文台的丽江 2.4 米望远镜在完成测试工作后向全国天文界征集观测需求,我提交的“发现红移 4 以上类星体”的申请得到批准。在 2012 年 2 月底至 3 月初的 6 个晚上的观测时间里,我们发现了多个类星体,而且成功地发现了一个红移为 4.6 的类星体。2013 年,我们继续利用丽江 2.4 米望远镜的观测又发现了几个红移 5 以上的类星体。

  抓获最亮黑洞

  在丽江 2.4 米望远镜上成功的观测让我们坚定了寻找更高红移类星体的信心。它也证明只要找到合适的选源方法选出高红移类星体候选体,我们也可以利用国内的 2 米级望远镜发现高红移类星体。

  2013 年 12 月,我们在选择高红移类星体候选体时发现,有几个源很像红移 6 以上的类星体。其中一个源 SDSS J0100+2802,i波段星等接近 21 等,z波段星等为 18.4 等,光学的其它波段没有探测到,但在红外波段较亮——这些特征与红移 6 以上的类星体非常符合。由于i波段星等较暗,为增加信噪比,我们决定使用 2.4 米望远镜的最低分辨率光栅来拍这个源的光谱。12 月底的观测结果让我们无比激动,这确实是一个红移 6.3 的类星体!而且发光巨大,是太阳光度的 430 万亿倍!

  2014 年 1 月美国 MMT 望远镜和 8.4 米大双筒望远镜(LBT)所拍的更高质量的光学光谱陆续传来,再次确认我们用 2.4 米望远镜得到的结果没有问题。随后,我们又申请利用 3 台国外望远镜对这个类星体进行近红外光谱观测,尽管一波三折,但最终得到了质量非常好的近红外光谱。利用近红外光谱中的发射谱线,我们可以比较准确地估计出这颗类星体中心黑洞质量为 120 亿太阳质量。在与其它高红移类星体进行比较后,我们确信我们发现的这一类星体是宇宙早期黑洞质量最大的最亮类星体!它的黑洞质量和光度比以前发现的高红移类星体都要大至少 4 倍。


我们所发现的红移 6.3 类星体 SDSS J0100+2802 是所有高红移类星体中光度和黑洞质量最大的。图片制作:李兆聿(上海天文台)。背景照片是丽江 2.4 米望远镜圆顶及其天空,由云南天文台提供。

  这一类星体的红移为 6.3,对应于离我们 128 亿光年。它中心的一个 120 亿倍太阳质量的黑洞存在于宇宙大爆炸后仅 9 亿年,这一超级黑洞的发现对宇宙早期黑洞的形成与增长理论提出了严峻的挑战。天文学家现在必须思考,如何在短短几亿年的时间里让一个黑洞长到 120 亿倍太阳质量!这种增长方式一定是非常特别的,至少目前的理论是难以解释的。而且,这一超级黑洞的存在也支持了在宇宙早期黑洞比星系增长得更快的观点,这和我们附近的宇宙里星系中心的黑洞和星系像是“约好”似地协同增长的情况完全不同。

  同时,这一类星体又是遥远宇宙中最亮的类星体,比太阳亮 430 万亿倍。它就像遥远夜空中一盏最明亮的灯塔,其耀眼的光芒可帮助我们了解到很多以前无法了解的宇宙早期的信息。在我们观测得到的近红外光谱中,我们已发现了从这一遥远类星体到我们的漫漫长路上,光所经过的在不同距离上分布的宇宙物质的“脚印”,这也为以后我们利用更多的遥远类星体来研究早期宇宙的结构提供了最好的示范。

  这一宇宙早期的超级“怪物”是中国学者利用云南丽江的 2.4 米望远镜首先发现的,它也是世界上唯一用 2 米级别的望远镜发现的红移 6 以上的宇宙早期类星体。在 2 月 26 日美国有线新闻网(CNN)报道我们发现的新闻中 4 次提到这个超级黑洞的发现者来自“中国”,这让我们感到无比自豪!3 月 3 日的中央电视台新闻联播在除报道两会新闻以外不多的黄金时间里,还以“联播快讯”的方式报道了中国天文学家发现遥远宇宙中的最亮类星体,这也让我们备受鼓舞!

  路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!我和我的团队将重新出发,继续努力,期待去发现更多的宇宙奥秘。(编辑:Steed)

  参考文献
  1. Nature 518, 512–515 (26 February 2015) doi:10.1038/nature14241