摘要：天文学家发现了一条关键线索，有助于理解超大质量黑洞在早期宇宙中为何会如此迅速地成长。他们发现了一颗耀变体，这是一种罕见而强大的活动星系核 (AGN)，距离我们如此遥远，以至于它的光需要传播 129 亿年才能到达我们这里。

天文学家发现了一个年轻、炽热的黑洞，它在宇宙大爆炸后仅 10 亿年就已开始以惊人的速度增长。这一罕见的发现为了解宇宙早期超大质量黑洞的形成提供了关键。

天文学家发现了一条关键线索，有助于理解超大质量黑洞在早期宇宙中为何会如此迅速地成长。他们发现了一颗耀变体，这是一种罕见而强大的活动星系核 (AGN)，距离我们如此遥远，以至于它的光需要传播 129 亿年才能到达我们这里。

这颗耀变体的存在表明，早期宇宙中存在更多类似的耀变体，形成了一个具有强大粒子喷流的隐藏活动星系核群。这一发现意义重大，因为人们认为有喷流的黑洞比没有喷流的黑洞生长得更快。了解这些早期耀变体可能有助于解释为什么一些黑洞在大爆炸后不久就变得超大质量。

炽热的星系之心

许多星系的中心是活跃星系核 ( AGN )，它们是宇宙中最明亮的物体之一。它们巨大的能量输出来自超大质量黑洞，黑洞通过吸积过程吸收周围的物质。这一过程是物理学中将物质转化为能量的最有效方式，使 AGN 比数百、数千甚至更多星系中所有恒星的总和还要明亮，而且其体积比我们自己的太阳系还小。

至少有 10% 的活动星系核会产生强大的粒子喷流，即从黑洞周围区域向相反方向喷射的高能粒子流。这些喷流由吸积盘（黑洞周围的旋转气体）中的磁场塑造和引导。

一种特殊类型的活动星系核被称为耀变体，只有当它的喷流恰好直接指向地球时，我们才能看到它——这是一种极其罕见的排列。这使得耀变体显得异常明亮，就像直视一个强大的手电筒一样。耀变体还以其快速的亮度变化而闻名，有时只需几小时甚至几分钟就会发生变化。这些波动是由吸积盘中的湍流活动以及喷流磁场与带电粒子之间的复杂相互作用引起的。

在早期宇宙中寻找活跃星系

这项新发现是马克斯·普朗克天文研究所研究小组组长爱德华多·巴纳多斯（Eduardo Bañados）和一个国际天文学家团队对早期宇宙中活跃星系核进行系统搜索的结果，巴纳多斯专门研究宇宙最初十亿年的历史。由于光需要时间才能到达我们，所以我们看到的遥远物体就像数百万年甚至数十亿年前的样子。

对于更远的天体，由于宇宙膨胀而产生的所谓宇宙红移会使其发出的光的波长远比发射光的波长长得多。巴纳多斯和他的团队利用了这一事实，系统地搜索了红移程度如此之大的天体，这些天体甚至无法在通常的可见光（在本例中是暗能量遗产巡天）中显示，但在射电巡天（3 GHz VLASS 巡天）中却是明亮的光源。

十亿年的太空之旅

在满足两个标准的 20 个候选天体中，只有一个被指定为 J0410-0139 的天体满足额外标准，即在射电区域显示出显著的亮度波动——这表明它是一颗耀变体。研究人员随后进行了更深入的挖掘，使用了大量望远镜，包括用欧洲南方天文台的新技术望远镜 (NTT) 进行的近红外观测、用欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT) 进行的光谱观测、用 LBT、其中一台凯克望远镜和麦哲伦望远镜进行的额外近红外光谱观测、用欧洲航天局的 XMM-牛顿和美国宇航局的钱德拉太空望远镜拍摄的 X 射线图像、用ALMA和 NOEMA 阵列进行的毫米波观测，以及用美国国家射电天文台的 VLA 望远镜进行的更详细的射电观测，以确认该天体作为 AGN 的状态，特别是作为耀变体。

观测结果还得出了 AGN 的距离（通过红移），甚至发现了 AGN 所嵌入的宿主星系的踪迹。来自该活跃星系核的光花了 129 亿年才到达我们（z=6.9964），携带着 129 亿年前宇宙的信息。

“有一个，就有一百个”

根据巴纳多斯的说法，“J0410-0139 是一颗耀变体，喷流恰好直接指向地球，这一事实具有直接的统计学意义。打个比方，假设你读到有人中了 1 亿美元的彩票。考虑到中奖的罕见性，你可以立即推断出，一定有更多人参加了这次彩票抽奖，但没有赢得如此巨额的奖金。同样，发现一个喷流直接指向我们的活动星系核意味着，在那个宇宙历史时期，一定有许多喷流不指向我们的活动星系核。”

长话短说，正如 MPIA 博士后、本出版物合著者 Silvia Belladitta 所说：“有一个的地方，就有一百个。”

具有重大影响的宇宙彩票

之前最远的耀变体的记录保持者发出的光到达我们这里所用的时间比现在少了大约 1 亿年（z=6.1）。考虑到我们回顾的超过 120 亿年，这额外的 1 亿年可能看起来很短，但它们却产生了至关重要的影响。这是宇宙快速变化的时期。

在这 1 亿年中，超大质量黑洞的质量可以增加一个数量级。根据目前的模型，在这 1 亿年中，活动星系核的数量应该增加了 5 到 10 倍。

发现 128 亿年前存在这样一颗恒星并不令人意外。但像本例一样，发现 129 亿年前存在这样一颗恒星则完全是另一回事。

自 129 亿年前以来帮助黑洞成长

在那个特定的早期阶段，存在一大群具有喷流的 AGN 对宇宙历史和星系中心超大质量黑洞的成长具有重要意义。具有喷流的 AGN 黑洞可能比没有喷流的黑洞更快地获得质量。

与普遍看法相反，气体很难落入黑洞。气体自然会绕黑洞运行，类似于行星绕太阳运行的方式，随着气体越来越接近黑洞，速度也会越来越快（“角动量守恒”）。为了落入黑洞，气体需要减速并损失能量。与粒子喷流相关的磁场与旋转的气体盘相互作用，可以提供这种“制动机制”，帮助气体落入。

这意味着这一新发现的后果很可能成为未来任何早期宇宙黑洞生长模型的基石：它们暗示 129 亿年前存在大量活跃星系核，这些星系核有喷流，因此具有相关磁场，可以帮助黑洞以相当快的速度生长。

这里描述的结果已作为 E. Bañados 等人的文章“再电离时代的耀变体”发表在《自然天文学》中，以及作为 E. Bañados 等人的文章“az = 7 耀变体的 [CII] 特性和远红外变化”发表在《天体物理学杂志快报》中。

来源：番茄说科学