GN-z11星系中发现宇宙初代恒星与贪婪黑洞的证据
我们看到的这个名为GN-z11的星系，是它在大爆炸后仅4.3亿年时的样子。
GN-z11位于大熊座（Ursa Major）中，处于“大天文台深空起源巡天”（GOODS）项目所研究的一片天区范围内。(Image credit: NASA/ESA/CSA/STScI/Brant Robertson (UC Santa Cruz)/Ben Johnson (CfA)/Sandro Tacchella (Cambridge)/Marcia Rieke (University of Arizona)/Daniel Eisenstein (CfA).)
多亏詹姆斯·韦伯太空望远镜🔭（JWST）的观测，宇宙中第一代恒星存在的证据终于浮出水面。这一证据存在于一个已知的最遥远的星系中。
这个名为GN-z11的星系是由哈勃太空望远镜🔭在2015年发现的，先于詹姆斯·韦伯太空望远镜🔭发射的时间，被认为是已知最遥远的星系。由于它的红移值高达10.6，我们更倾向于谈论它存在于多久之前，而不是它距离我们有多远。这是因为它的光穿越到我们所在的宇宙角落需经历漫长的时间，而我们看到的GN-z11只是它在大爆炸后仅4.3亿年时的样子，较之而言，而今的宇宙已经有138亿年之久。
因此，GN-z11成了JWST（詹姆斯.韦伯太空望眼镜👓）研究的一个主要目标。目前，两篇新发表的论文揭示了有关GN-z11的重大发现，这些发现为我们理解早期宇宙中的星系如何成长提供了关键细节。
GN-z11是在这一特定红移值下已知的最明亮的星系，而这也成为了JWST在早期宇宙中几乎定期发现高红移星系的一个普遍特征。许多这些星系看起来比我们基于星系形成模型的预测要亮得多，而这些预测是基于宇宙学的标准模型得出的。
现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜🔭（JWST）的新观测似乎揭示了这一现象背后的奥秘。
由剑桥大学的罗伯托·迈奥利诺（Roberto Maiolino）领导的天文学团队，利用JWST的两台近红外仪器——近红外相机📷️（NIRCam）和近红外光谱仪（NIRSpec）——对GN-z11星系进行了深入探测。研究人员发现了第一代恒星的证据，这些恒星被称为“第三星族星”（Population III stars）。此外，他们还发现了一个超大质量黑洞正在吞噬大量物质，并以极快的速度增长。
科学家可以通过恒星中重元素的丰度来计算它的年龄，这些重元素是由前几代恒星在生命结束后被抛洒到太空的，最终在恒星形成区域被回收利用而形成新的恒星。在过去五六十亿年间形成的最年轻的恒星被称为“第一星族星”（Population I stars），它们的重元素丰度最高。我们的太阳就是一颗第一星族星。更古老的恒星含有较少的重元素，因为在它们之前存在的恒星世代较少，我们称这些恒星为“第二星族星”（Population II stars），它们位于银河系最古老的区域。然而，直到现在，“第三星族星”（Population III stars）还仅仅只是一个假设。
这一团原始氦气的光谱为第一代恒星的存在提供了证据。(Image credit: NASA/ESA/CSA/Ralf Crawford (STScI))
这些恒星可能是宇宙中最早形成的恒星，由于在它们之前没有其他恒星存在，它们不会含有任何重元素，而仅由大爆炸时期形成的原始氢和氦组成，这些最早的恒星极其明亮，质量至少相当于数百个太阳。尽管天文学家仍未直接观测到第三星族星，但迈奥利诺的团队在GN-z11中发现了它们的间接证据。NIRSpec观测到了GN-z11边缘附近的一团电离氦气。“我们没有在氦气之外发现其他元素，这表明这团气体一定相当原始，”迈奥利诺在一份声明中说道。“理论和模拟预测，在这些时期的特别大质量星系附近，应该存在一些原始气体团块，它们可能坍缩并形成第三星族星。”
这些氦气正在被某种产生大量『紫外线』的物质电离，而这种物质被推测为第三星族星。这些氦气可能是这些恒星形成后留下的物质。电离所有这些气体所需的『紫外线』量，大约相当于60万倍太阳质量的恒星，其总亮度是太阳的20万亿倍。这些数据表明，像GN-z11这样的遥远星系可能比现代宇宙中的星系更容易形成大质量恒星。与此同时，根据第二组研究的结果，迈奥利诺的团队还在GN-z11的中心发现了一个质量为200万倍太阳质量的黑洞的证据。
“我们发现了在超大质量黑洞吸积气体附近常见的极高密度气体，”迈奥利诺在同一份声明中说道。“这些是GN-z11中心存在一个正在吞噬物质的黑洞的首个明确迹象。”研究团队还探测到从黑洞周围吸积盘中流出的强大辐射☢️流，以及通常在吸积黑洞附近发现的电离化学元素。研究团队表示，这是迄今为止发现的最遥远的超大质量黑洞，它的贪婪吞噬使其吸积盘变得密集且炽热，并发出明亮的光芒。研究人员认为，正是这些第三星族星和黑洞的共同作用，使得GN-z11如此明亮，而并不像一些人过早声称的那样违背了标准宇宙学模型。关于电离氦气团块和第三星族星的研究已被《天文学与天体物理学》期刊接受发表，预印本可以在此处查看。与此同时，关于NIRCam对黑洞观测的研究已于1月17日发表在《自然》期刊上。
BY: Keith Cooper
FY: Brite Sun
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