韦伯太空望远镜将如何开启对原始黑洞的探索？专家给出科普性答案

韦伯太空望远镜团队正在继续进行科学仪器的调试工作，这是夏季开始科学运作前的最后一步。我们最近看到了事件地平线望远镜拍摄的银河系中心的黑洞的壮观图像。现代天文学的谜题之一是，每个大星系都有一个巨大的中心黑洞，而其中一些黑洞甚至在宇宙的早期就已经大得令人吃惊。

韦伯的近红外光谱仪(NIRSpec)仪器科学小组的成员Roberto Maiolino为我们解答了韦伯望远镜将将如何帮助回答这些问题：

"韦伯即将开启的最激动人心的发现领域之一是寻找早期宇宙中的原始黑洞。这些是天文学家在星系核中发现的质量更大的黑洞的种子。大多数(可能是所有)星系的中心都有黑洞，其质量是我们太阳质量的数百万到数十亿倍。这些超大质量黑洞通过吞噬它们周围的物质，以及通过合并较小的黑洞而变得如此巨大。

最近一个有趣的发现是发现了超大质量黑洞，其质量为几十亿个太阳质量，在宇宙只有大约7亿年的时候就已经存在了，只是目前138亿年年龄的一小部分。这是一个令人费解的结果，因为根据标准理论，在这样的早期时代，没有足够的时间来生长这种超大质量的黑洞。有人提出了一些方案来解决这个难题。

一种可能性是，由早期宇宙中第一代恒星死亡而产生的黑洞，以特别高的速度吸纳了物质。另一种情况是，原始的的气体云尚未被比氦更重的化学元素所富集，可以直接坍缩形成一个质量为几十万太阳质量的黑洞，随后增殖物质，演变成后来时代观察到的超大质量黑洞。最后，婴儿星系中心密集的核子星团可能通过恒星碰撞或恒星质量黑洞的合并产生了中等质量的黑洞种子，然后通过吸积作用变得更加巨大。"

这幅来自剑桥大学的示意图显示了早期宇宙中已知的黑洞(大黑点)和候选的黑洞祖先(阴影区域)的种群

"韦伯即将在这个领域打开一个全新的发现空间。有可能第一个黑洞种子最初形成于'婴儿宇宙'，在大爆炸后短短几百万年内。韦伯是了解这些原始物体的完美'时间机器'。它卓越的灵敏度使韦伯能够探测到极其遥远的星系，而且由于星系发出的光传到我们这里需要时间，我们将看到它们在遥远过去的样子。

韦伯的NIRSpec仪器特别适合识别原始黑洞的种子。我和NIRSpec仪器科学小组的同事将在'活跃'阶段寻找它们的特征，那时它们正在贪婪地吞噬物质并迅速成长。在这些阶段，它们周围的物质变得非常热且发出光芒，并使其周围和其宿主星系中的原子电离。

NIRSpec将把来自这些系统的光分散成光谱，或'彩虹'。活跃的黑洞种子的彩虹将被特定的'指纹'所描述，即高度电离原子的特征。NIRSpec还将测量在这些原始黑洞附近运行的气体的速度。较小的黑洞将以较低的轨道速度为特征。在原始云中形成的黑洞种子将通过没有与任何比氦气更重的元素相关的特征来识别。

我期待着利用韦伯前所未有的能力来搜索这些黑洞原生体，最终目的是了解它们的性质和起源。早期宇宙和黑洞种子领域是一个完全未知的领域，我和我的同事们非常兴奋地用韦伯来探索。"

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