LOGO 網路天文館首頁
天文新知 >

2017-01-09 在太古之初,窺見巨質量黑洞

 
瀏覽人數:3025

撰文 / 李見修(Subaru望遠鏡支援天文學家)

最遙遠的類星體 — ULAS J1120+0641

  類星體是活躍星系核的一種。在星系的核心有巨質量的黑洞,因為重力的作用,不斷吸積附近的塵埃、氣體等物質,並形成吸積盤。這些吸積的物質受到磁場的規範,以垂直於吸積盤的方向大量噴出。當地球上的觀測者正視著噴出物質時,在可見光波段看到的活躍星系核影像與一般恆星無異,故稱為類星體。

  類星體噴發時的能量相當巨大,可達到銀河系內所有恆星亮度加總的數萬倍,像燈塔一樣照亮星海,即便是在非常遙遠的距離也能偵測到,讓天文學家得以探索早期的宇宙。天體的距離越遠,受到宇宙膨脹的影響就越大,所發射出的光子波長也因此變長。在可見光波段會觀察到遠方天體輻射出來的光變得較紅,又稱之為紅移。另一方面,在類星體周遭以及星系際介質中散布了中性氫原子,吸收遠方天體所輻射出的光,這使得光譜上比中性氫原子吸收譜線(主要為萊曼系列的譜線)還要更藍、波長更短的光消失。因此天文學家便能透過藍光消失、紅光明亮的特性,來尋找極遙遠的類星體。這次由卡內基天文台的Eduardo Banados等人所發現的ULAS J1120+0641類星體(註一),便是使用這個方法,結合暗能量巡天計畫(Dark Energy Survey)的可見光影像、英國紅外光望遠鏡(United Kingdom Infrared Telescope,UKIRT)以及美國航太總署的廣域紅外線巡天探測衛星(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE)的紅外波段影像,所尋找到的遙遠類星體候選者(見圖一)。在影像上辨識出這顆遙遠的類星體之後,更透過位於智利的麥哲倫望遠鏡(Magellan 6.5m Baade telescope)、美國亞利桑納州的大雙筒望遠鏡(Large Binocular Telescope,LBT)以及夏威夷毛納基峰的雙子星望遠鏡(Gemini North Telescope)取得這顆類星體的光譜,透過萊曼發射線定出距離,確定其打破先前的紀錄,可追溯至宇宙年齡僅為5%的時候!

挑戰巨質量黑洞形成機制

  天文學家所取得的光譜,除了幫助確認ULAS J1120+0641的距離之外,更可以透過其中的鎂離子(Mg II)發射譜線寬度,推測出活躍星系核心的黑洞質量,約為八億倍太陽質量。這樣巨質量的黑洞,放在現在的宇宙並不稀奇,但是在宇宙非常年輕的時候就出現,卻難以解釋。目前天文學家提出兩種可能的機制,包括在宇宙早期就存在大於一萬倍太陽質量的種子黑洞,逐漸吸積周圍的物質而來。亦或是黑洞吸積的效率遠大於我們想像,才能在短時間內形成如此巨大質量的黑洞。

確定宇宙再游離的時間點

  宇宙誕生於一場大爆炸,之後逐漸冷卻,使得游離的質子和電子結合成為中性氫。一直到最初的恆星形成時,放出大量的紫外線,使得氫原子再游離。而再游離的時間點,有助於我們了解早期宇宙演化的時程。目前對於再游離的時間點不甚確定,有的理論認為非常早,有的認為非常晚。根據ULAS J1120+0641的光譜,在宇宙年齡5%時,其周圍的環境仍存在大量的中性氫原子(見圖二),因此支持再游離發生在較晚的時間點。

年輕星系的塵埃與重元素

  除了可見光與紅外線波段的觀測外,天文學家們也取得了ULAS J1120+0641電波波段的觀測,幫助我們了解其宿主星系。根據北半球毫米波段陣列(NOrthern Extended Millimeter Array,NOEMA)的資料,德國海德堡馬克思普朗克天文研究所的Bram Venemans等人(註二)發現ULAS J1120+0641宿主星系存在大量的塵埃(約一億倍太陽質量)以及重元素。一般相信星系內的塵埃主要來源是由中、低質量的恆星,在演化末期進入漸近巨星分支(Asymptic Giant Branch,AGB)階段時,以恆星風的形式排出外層的大氣,最後冷卻為塵埃。但是在宇宙年齡僅為5%時,中低質量的恆星還來不及演化到漸近巨星分支階段,因此不可能為ULAS J1120+0641宿主星系大量塵埃的來源。Bram Venemans等人因此猜測,這些大量的塵埃是由大質量的恆星演化為二型超新星(Type II supernova)爆炸時所產生。如果真是如此,那麼新一代的韋伯太空望遠鏡觀測將能偵測到這些大質量的恆星,在將來提供觀測上的證據。

展望

  要探索早期的宇宙,單單只有一個遙遠的類星體是不夠的。Eduardo Banados等人估計全天約有20-100個如此遙遠的類星體尚待發掘。除了暗能量巡天計畫外,日本的昴宿天文台也使用其大口徑(8米望遠鏡)及獨特的廣角相機(直徑1.5度,約9個滿月大小),對北半球進行極深且廣的巡天觀測。目前已搜尋到數十個遙遠類星體(註三),期待在不遠的將來,能讓我們進一步了解早期的宇宙。

註一:Banados et al. 2017, Nature, published online (https://doi.org/10.1038/nature25180)
註二:Venemans et al. 2017, ApJ Letter, 851, 1
註三:Matsuoka et al., 2017, PASJ in press (https://doi.org/10.1093/pasj/psx046)

11

圖一、ULAS J1120+0641的影像(上圖)及光譜(下圖)。在影像上,這顆類星體因為距離我們非常遙遠,所輻射出的光從可見光波段紅移到了紅外波段(1-2.5 um)。另一方面,星際介質吸收了大部放的可見光(小於1um),讓天文學家得以從可見光波段消失、紅外光明亮的特性,使用可見光及紅外光的影像找到這顆極遙遠的類星體。在影像到搜尋到這顆類星體後,天文學家們更利用紅外線光譜來進行確認,同時透過鎂的發射譜線(Mg II)的寬度,來估計核心黑洞的質量。圖片來源:Banados et al. (2017)。

history-quasar

圖二、ULAS J1120+0641觀測示意圖。右上角為宇宙誕生之初的大爆炸、左下角為位於智利的麥哲倫望遠鏡。ULAS J1120+0641可回溯至宇宙年齡為5%時,其周圍的充滿中性氫原子,顯見宇宙再游離發生於較晚的時間點。圖片來源:Robin Dienel繪製,卡內基研究中心提供(https://carnegiescience.edu/news/found-most-distant-supermassive-black-hole-ever-observed)。

************
::: | 政府網站資料開放宣告 | 隱私權及資訊安全政策 | 聯絡我們 我的e政府, 另開視窗.  臺北市政府, 另開視窗.  通過A+優先等級無障礙網頁檢測 

地址 : 臺北市士林區11160基河路363號 (如何到達天文館)
電話 : (02)2831-4551 傳真:(02)2831-4405
本網站最佳瀏覽解析度為1024x768 更新日期:2018/6/22