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天文学家远眺太空和时间,发现了一个明亮的信标,当宇宙还处于婴儿期时,它就已闪耀发光。那个信标,一个被称为类星体的明亮天体物理物体,当气体落入超大质量黑洞并被压缩、加热并发出明亮的光芒时,其亮度相当于 63 万亿个太阳。它比任何其他已知的类星体都更远离地球——如此遥远,以至于它在 130 亿年前发出的光,直到现在才到达地球。由于其极高的亮度和创纪录的距离,该类星体为了解宇宙在早期宇宙历史中经历重要转变时的条件提供了独特的机会。
当宇宙达到十亿岁时,星系之间曾经是中性的氢气原子几乎完全被第一批大质量恒星的光芒剥离了电子(电离)。但是这个过程的完整时间线,被称为再电离,因为它分离了质子和电子,就像在大爆炸后的最初 38 万年一样,还不太确定。类星体以其巨大的固有亮度,应该成为再电离过程的绝佳标记,充当照亮星系际介质的闪光灯。但是,使用光学望远镜的类星体搜寻者只能回溯到大爆炸后 8.7 亿年,当时星系际介质从中性到电离的转变几乎完成。(宇宙现在有 137.5 亿年历史。)超过那个点,类星体的光已被宇宙膨胀拉伸或红移,以至于它不再落在电磁波谱的可见部分,而是落在更长波长的红外线中。
伦敦帝国学院的天体物理学家丹尼尔·莫特洛克和他的同事们利用了这一事实。研究人员寻找在大型红外天空巡天中出现,但在覆盖天空同一区域的可见光巡天中没有出现的物体,本质上是隔离了高红移物体。因此,他们可以发现一个类星体,称为 ULAS J1120+0641,红移为 7.085,对应于大爆炸后仅 7.7 亿年的时间。这使得新发现的类星体在宇宙历史上比之前的记录保持者早了约 1 亿年,之前的记录保持者的红移为 6.44。莫特洛克和他的同事们在 6 月 30 日的《自然》杂志上报告了他们的发现。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
这个古老的类星体是在英国红外望远镜的红外深空巡天,或 UKIDSS 中被发现的,这是一个为期七年的持续项目。来自 ULAS J1120+0641 的光显示出比其更近、红移更低的同类物更大的中性星系际氢的印记。“这个物体告诉我们的是,至少在这个类星体的前面,沿着这条视线,回到那个时代,宇宙大约有 10%,甚至可能是 50% 的中性氢,”莫特洛克说。通过对 ULAS J1120+0641 进行更多观测,以及未来可能发现更多距离相当的类星体,天文学家和宇宙学家将能够更好地揭示宇宙的再电离历史。“研究这些时间机器物体的原因之一是为了弄清楚当时发生了什么,”他说。
为了在宇宙历史的早期时代如此明亮地发光,新发现的类星体必须由一个大约是太阳质量两百亿倍的黑洞提供动力,或者是我们星系中心黑洞质量的 500 倍。但是如此巨大的重量需要一个解释。“类星体本身是一个非凡的物体,因为没有人真正知道如何在宇宙学意义上相对较短的时间内形成如此巨大的黑洞,即 20 亿个太阳质量,”莫特洛克说。换句话说,天体物理学家发现了宇宙中相当于一个新生婴儿拥有成年人身材的物体。“从本质上讲,它是我们所知道的早期宇宙中最难制造的物体,”莫特洛克补充道。通过详尽的望远镜观测发现的这个巨大的黑洞的存在,现在成为了理论家们需要解决的挑战。“假设宇宙是合理的,”莫特洛克说,“它必须以某种方式形成。”