毛晶晶2013-09-07 8:37 AM

研究显示早期宇宙中曾存在大量黑洞

通过对同一天区在红外和X波段背景信号的对比,一个国际天文学家小组发现早期宇宙中可能曾存在大量黑洞。 研究人员利用美国宇航局的钱德拉X射线望远镜以及斯皮策空间红外望远镜分别从X波段和红外波段进行了观测,得到的结论显示早期宇宙中每5个红外信号源中就有一个是黑洞。 亚历山大·卡什林斯基(Alexander Kashlinsky)是美国宇航局戈达德空间飞行中心的一名天体物理学家,他表示:“我们研究结果显示黑洞至少贡献了宇宙红外背景的20%,这显示在早期宇宙中黑洞曾经非常活跃地吞噬气体物质。” 宇宙红外背景(CIB)是来自早期宇宙的残余光线,当时宇宙中最早的结构正在成形。天文学家们认为其源自宇宙中第一批大质量恒星以及黑洞组成的集群结构,随着它们不断聚集气体物质,在此过程中产生大量能量。 即便是最强大的望远镜也无法分辨最遥远的单个恒星和黑洞。然而它们的整体效应,穿越数十亿光年的空间,让天文学家们得以区分在极早期宇宙中恒星和黑洞在这一机制中分别所占到的比例。当时正值宇宙中小规模星系团逐渐形成的时期,这些小星系团逐渐相互合并,形成与银河系相类似的庞然大物。 研究组成员,美国夏威夷大学天文学院主管葛兰瑟·哈森格(Guenther Hasinger)表示:“我们希望能更详尽地了解这一时期辐射源的性质,因此我提议使用钱德拉的X射线数据去校验红外背景辐射的辐射源。”哈森格于上周二在印第安纳波里斯城召开的美国天文学会第222次会议上介绍了有关情况,另外相关论文也已经刊载于5月20日出版的《天体物理学报》上。 这项研究工作始于2005年,当时卡什林斯基和他的同事们正研究斯皮策空间红外望远镜的数据。在此过程中他们发现了残余辉光的痕迹。在2007年和2012年由同一个研究小组进行的后续工作中,这种辉光信号变得更加明显了。在2012年的研究中,研究人员对一个被称作“延伸生长带”(Extended Groth Strip)的区域进行了研究,这一区域靠近北天的牧夫座,是一片被密集观测的天区。一般情况下,当天文学家们从信号中减去所有已知的恒星和星系之后,剩余的信号便是一种微弱的辉光。没有证据显示这种辉光的来源是极其遥远的,但是仍然有一些线索让天文学家们感觉到它就是CIB的信号。 在2007年,钱德拉X射线空间望远镜特别对这一天区进行了多波段超长时间曝光成像。这一天区的面积稍稍大于一个满月,此次钱德拉X射线空间望远镜的深度成像区域与斯皮策望远镜的红外成像区域重合。利用这一成果,意大利博洛尼亚的国家天体物理研究院天文学家尼可·卡佩鲁迪(Nico Cappelluti)制作了一张X射线天区图,其中在三个波段剔除了所有已知的辐射源。这样做的结果是,和斯皮策的红外波段情况相似,最后得到了一张含有微弱X射线辉光的背景图像,即所谓“X射线背景”(CXB)。卡佩鲁迪同时也在美国马里兰大学担任职位。 对比这两份图像,让天文学家得以了解这两个波段的这种辉光背景是否是各自相互独立的现象还是存在某种关联。对比的结果显示在最低能级X波段上,其背景信号与红外波段的背景信号相吻合。卡佩鲁迪表示:“这项工作的完成耗费了我们5年的时间,而结果却出乎我们的预料。” 这就像是站在北京观测远在新疆的烟火表演。要想分辨出单独的烟火信号太困难,但是如果将所有无关的光信号全部剔除之后,就有希望暴露这些烟火产生的微弱信号。而配合对散发着硫磺味的烟雾的探测则可以进一步加强信号的可信度,让我们确信这些光信号的确来自烟火。 回到红外和X射线背景的问题上,在X波段和红外波段分别有一部分信号是源自同一天区的。研究组认为黑洞是唯一可以解释同时在这两个能量波段产生如此强烈信号的源。一般的年轻星系,甚至那些正经历剧烈恒星新生过程的星系都无法出现这种情况。 借助这次透过光回声机理得到的额外信息,天文学家们正给出有关极早期宇宙结构成型时期辐射源的首次统计分析结果。来自戈达德空间飞行中心的天体物理高级研究员哈维·莫斯利(Harvey Moseley)表示:“这是一项非常令人兴奋也非常出人意料的结果,它将有可能让我们一睹宇宙极早期星系形成时期的情景。我们必须继续推进这项研究工作。” 美国宇航局马歇尔空间飞行中心负责钱德拉X射线空间望远镜的管理工作,设在马萨诸塞州剑桥的史密松天体物理研究中心则负责该设备的日常科学运作和数据分发。 美国宇航局加州喷气推进实验室(JPL)负责斯皮策空间红外望远镜的管理工作。加州理工学院斯皮策科学中心则负责该设备的科学运作;加州理工学院红外处理与分析中心负责斯皮策望远镜科学数据的管理和分发工作。

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