哈勃在合并星系中发现了双类星体

美国宇航局的哈勃太空望远镜“看到了双影”。回顾100亿年前的宇宙历史,哈勃望远镜的天文学家们发现了一对类星体,它们非常接近,在地面望远镜的照片中看起来就像一个物体,但在哈勃望远镜清晰的视野中却不是这样。

研究人员认为,这些类星体彼此非常接近,因为它们位于两个合并星系的核心。该团队在另一对相互碰撞的星系中又发现了一对类星体,从而赢得了“每日双子星”的桂冠。

这幅艺术家的构想展示了两个处于混沌合并过程中的星系核心的两个类星体发出的明亮光线。两个星系之间的引力拉锯战拉伸了它们,形成了长长的潮汐尾,点燃了恒星诞生的火焰风暴。类星体是来自遥远星系中心的明亮的强光灯塔。它们是由超大质量的黑洞贪婪地吞噬落下的物质提供能量的。这种疯狂的进食释放出一股辐射洪流,其光芒超过了宿主星系中数十亿颗恒星的集体光芒。在几千万年后,黑洞和它们的星系将合并,类星体对也将合并,形成一个更大质量的黑洞。几十亿年后,当我们的银河系与邻近的仙女座星系合并时,类似的一系列事件将会发生。

类星体是来自遥远星系中心的明亮的灯塔,它的光芒超过了整个星系。它由一个超大质量的黑洞提供能量,黑洞贪婪地吞噬膨胀的物质,释放出大量的辐射。

“我们估计,在遥远的宇宙中,每1000个类星体中,就有一个双类星体。因此,找到这些双类星体就像大海捞针,”伊利诺大学厄巴纳-香槟分校的首席研究员沈悦说。

研究人员称,这四颗类星体的发现为探索早期宇宙中星系间的碰撞和特大质量黑洞的合并提供了一种新方法。

类星体散布在天空中,在100亿年前数量最多。当时有很多星系合并为黑洞提供养分。因此,天文学家推测在那个时期应该有很多对偶类星体。

“这确实是在星系形成高峰期的第一个双星类星体样本,我们可以用它来探索特大质量黑洞如何聚集到一起最终形成双星的想法,”马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学的研究小组成员Nadia Zakamska说。

该研究小组的研究结果发表在4月1日的《自然天文学》杂志网络版上。

这两张哈勃太空望远镜拍摄的图像显示了存在于100亿年前的两对类星体,它们位于合并星系的中心。这四个类星体都居住在一个宿主星系中。然而,这些星系是看不见的,因为它们太暗淡了,即使对哈勃望远镜来说也是如此。每一对类星体之间的距离都只有1万光年——这是在这个宇宙时期观测到的距离最近的类星体。类星体是来自遥远星系中心的明亮的强光灯塔,它的光芒超过了整个星系。它们是由超大质量黑洞提供能量的,黑洞贪婪地吞食下落的物质,释放出大量的辐射。左边的这对类星体被编目为J0749+2255,右边的这对类星体被编目为J0841+4825。每个双类星体所居住的两对宿主星系最终将合并。然后,类星体会紧紧围绕彼此运行,直到它们最终螺旋状地结合在一起,形成一个质量更大但却孤独的黑洞。这张J0749+2255的图片拍摄于2020年1月5日。这张J0841+4825快照于2019年11月30日拍摄。这两张照片都是用3号广角相机在可见光下拍摄的。

Shen和Zakamska是一个团队的成员,该团队正在使用哈勃望远镜、欧洲航天局的盖亚太空天文台、斯隆数字巡天望远镜,以及一些地面望远镜,对早期宇宙中的类星体对进行强有力的普查。

研究人员说,这些观测结果很重要,因为类星体在星系相遇中的作用在星系形成过程中起着至关重要的作用。当两个离得很近的星系开始因引力而相互扭曲时,它们的相互作用使物质进入各自的黑洞,点燃了类星体。

随着时间的推移,这些高强度“灯泡”的辐射会发射出强大的星系风,将合并星系中的大部分气体扫走。没有了气体,恒星的形成就停止了,星系就演化成椭圆星系。

“类星体对宇宙中星系的形成产生了深远的影响,”Zakamska说。“在这个早期时期发现双类星体是很重要的,因为我们现在可以检验我们长期以来关于黑洞及其宿主星系如何共同演化的想法。”

到目前为止,天文学家已经在合并星系中发现了100多个双类星体。然而,它们都没有这两个研究中的双类星体那么古老。

哈勃望远镜的图像显示,每一对类星体之间的距离只有大约1万光年。相比之下,我们的太阳距离银河系中心的超大质量黑洞26000光年。

这对宿主星系最终会合并,然后类星体也会合并,最终形成一个质量更大的孤立黑洞。

找到它们并不容易。哈勃望远镜是唯一一架视力足够敏锐的望远镜,可以看到早期宇宙,并能分辨离地球如此之远的两个近的类星体。然而,仅凭哈勃望远镜的高分辨率还不足以找到这些双光信标。

天文学家首先需要弄清楚将哈勃望远镜对准哪里来研究它们。挑战在于,天空中覆盖着一幅古老类星体的织锦,这些类星体在100亿年前突然爆发,形成了生命,其中只有很小一部分是双重的。这需要一种富有想象力和创新的技术,需要欧洲航天局的盖亚卫星和陆基的斯隆数字巡天计划的帮助,来收集一组可能的候选哈勃望远镜来观察。

斯隆望远镜位于新墨西哥州的阿帕奇角天文台,可以生成天空中物体的三维地图。该团队仔细研究了斯隆的调查,以确定类星体,以便更仔细地研究。

然后,研究人员招募了盖亚天文台来帮助确定潜在的双类星体候选者。盖亚非常精确地测量了附近天体的位置、距离和运动。但该团队为盖亚设计了一种新的、创新的应用程序,可以用来探索遥远的宇宙。他们利用天文台的数据库来寻找模拟附近恒星视运动的类星体。在盖亚的数据中,类星体以单一的物体出现。然而,盖亚可以在它观察到的一些类星体的明显位置上发现一种微妙的、意想不到的“抖动”。

这些类星体并没有以任何可测量的方式在空间中移动,相反,它们的抖动可能是光随机波动的证据,因为类星体对中的每个成员的亮度都在变化。类星体的亮度在几天到几个月的时间尺度上闪烁,这取决于它们的黑洞的进食时间表。

这对类星体之间的交替亮度类似于从远处看到铁路穿越信号。当固定信号两侧的灯交替闪烁时,标志给人一种“抖动”的错觉。

当哈勃望远镜观测到前四个目标时,它清晰的视觉显示其中两个目标是两对距离很近的类星体。研究人员说,这是一个“灵光一闪的时刻”,证实了他们利用斯隆、盖亚和哈勃来寻找古老的、难以捉摸的双重能量源的计划。

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组成员刘欣称哈勃望远镜的确认是一个“惊喜”。长期以来,她一直在利用地面望远镜的不同技术寻找离地球更近的双类星体。“这项新技术不仅可以发现更远的双类星体,而且比我们以前使用的方法更有效,”她说。

他们发表在《自然天文学》杂志上的文章是“一个概念的证明,它真正证明了我们对双类星体的定向搜索是非常有效的,”团队成员、约翰霍普金斯大学的研究生、哈勃项目的首席研究员黄相志(hsiong – chih Hwang)说。“它开启了一个新的方向,我们可以积累更多有趣的系统来跟进,这是天文学家用以前的技术或数据集无法做到的。”

该团队还通过美国国家科学基金会诺伊实验室的双子望远镜获得了后续观测结果。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生、研究小组成员陈宇庆说:“双子座的空间分辨光谱可以明确地拒绝外来入侵者,这是由于未结合的恒星-类星体系统的偶然叠加,其中前景恒星恰巧与背景类星体排列一致。”

尽管该团队对他们的结果深信不疑,但他们说,哈勃望远镜的快照有微弱的可能捕捉到了同一类星体的双重图像,这是引力透镜效应造成的错觉。当一个巨大的前景星系的引力分裂并将来自背景类星体的光放大成两个镜像时,就会发生这种现象。然而,研究人员认为这种情况极不可能发生,因为哈勃并没有在这两颗类星体附近发现任何前景星系。

银河合并在数十亿年前更为丰富,但今天仍有一些发生。一个例子是ngc6240,它是一个邻近的星系合并系统,有两个甚至可能是三个超大质量黑洞。几十亿年后,当我们的银河系与邻近的仙女座星系碰撞时,更近的星系合并将会发生。星系间的争斗可能会喂养每个星系核心的超大质量黑洞,将它们点燃成为类星体。

未来的望远镜可能会对这些合并的系统提供更多的了解。美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜是一个红外天文台,计划在今年晚些时候发射,它将探测类星体的宿主星系。韦伯将展示星系合并的特征,如星光的分布和从相互作用的星系中拉出的气体长流。

哈勃太空望远镜是美国宇航局和欧洲航天局(ESA)之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心管理着这台望远镜。位于马里兰州巴尔的摩市的空间望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃望远镜的科学操作。STScI是由位于华盛顿特区的大学天文学研究协会为NASA运营的。

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