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早期宇宙的神秘天体“小红点”的线索藏在“仙人掌星系”中?

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主译:毕逸飞

校对:suu

审核:牧夫天文校对组

美编:苏奕月

后台:王启儒

https://sorae.info/astronomy/20260806-lrd-saguaro.html

以亚利桑那大学斯图尔德天文台的 Pierluigi Rinaldi 为首的研究团队,以位于较近时代的星系为线索,对詹姆斯·韦布太空望远镜在早期宇宙中发现的大量神秘天体“小红点”(Little Red Dot,LRD)的本质及演化路径进行了研究。该团队的成果论文已发表于学术期刊《The Astrophysical Journal》。

点缀初期宇宙的“小红点”之谜

“小红点” 得名于韦布太空望远镜的观测设备之一“NIRCam(近红外相机)”所捕捉的红外波段中波长较长(类比我们肉眼捕捉可见光时的“红色”),以及这些天体本身非常致密。


▲詹姆斯·韦布太空望远镜观测到的小红点示例(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, D. Kocevski (Colby College))

它们在大约138亿年前的宇宙大爆炸后约6亿年时大量出现,但到约15亿年时又迅速消失,因此自发现以来,“随着宇宙成熟,小红点会变成什么?”这一谜题的破解工作一直在推进。关于小红点的真实身份,此前已有多种假说,包括被厚密高密度气体包裹、急速成长的超大质量黑洞的“黑洞星”假说,以及处于形成过程中的球状星团假说等。

“仙人掌星系”中发现的与小红点的相似性

Rinaldi等人关注的是位于大熊座方向、距离约104亿光年(红移 z=2.0145)的星系“WISEA J123635.56+621424.2”。因其形状类似亚利桑那沙漠中呈螺旋状生长的特殊仙人掌,被赋予爱称“Saguaro(萨瓜罗)”。

Saguaro是由2020年结束运行的NASA(美国国家航空航天局)斯皮策红外太空望远镜报告的“可见光暗淡但红外明亮”的星系。哈勃太空望远镜和韦布太空望远镜的观测捕捉到了Saguaro带有旋臂的形态。


▲詹姆斯·韦布太空望远镜NIRCam观测到的星系“WISEA J123635.56+621424.2”,爱称“Saguaro”(右上放大图)(Credit: Image: NASA, ESA, CSA, STScI, Pierluigi Rinaldi (Steward Observatory); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI))

研究团队认为Saguaro可能与小红点属于同类天体,并积累了多项证据。

第一个线索是光谱(电磁波按波长分布的强度)。通过韦布太空望远镜的“NIRSpec(近红外光谱仪)”进行光谱观测,从Saguaro的核心检测到了与典型小红点相同的光谱特征。利用哈勃和韦布望远镜的数据,对活动星系核(※)与其宿主星系进行分离解析后,确认该光谱特征源自中心点源,即活动星系核。

※星系中心观测到强烈电磁波的狭窄区域,Active Galactic Nucleus: AGN。其动力源被认为是质量达太阳数百万至数十亿倍的超大质量黑洞。

第二个线索是X射线。虽然Saguaro整个星系在可见光和红外波段明亮发光,但仅看其核心,NASA的钱德拉X射线太空望远镜观测到的辐射也极其微弱。实际上,迄今发现的大多数典型小红点,尽管怀疑存在活动星系核,却在X射线波段几乎未被探测到。原因尚不明确,一般认为是被核心周围的厚密气体吸收了大部分X射线,几乎未能泄漏到外部。

论文共同作者、南非开普敦大学研究生Carys Gilbert表示:“Saguaro的核心不仅深藏在气体之中,其X射线辐射也比本应更弱。大多数小红点看不到X射线辐射的原因,或许也可以用这种组合来解释。

将Saguaro“移至”早期宇宙的思想实验

此外,研究团队模拟验证了这样一种情形:如果Saguaro位于约130亿光年前(相当于红移z=7)的早期宇宙中,它会呈现出何种样貌。

结果发现,由于宇宙学效应导致的表面亮度减弱,Saguaro的旋臂会暗淡到探测极限以下,只剩下致密的核心,从而再现出与典型小红点几乎一样的外观。


▲ 实际的Saguaro(左)、将其模拟放置在约130亿光年外后的外观(中),以及实际观测到的小红点(右)。(Credit: Image: NASA, ESA, CSA, Pierluigi Rinaldi (Steward Observatory); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI); Illustration: Leah Hustak (STScI))

于是,他们接下来对存在于约121亿~131亿光年外(红移 z=4~8)的99个小红点的观测数据进行了叠加分析,结果发现其周围可能淡淡地延伸着直径约6500~9800光年(2~3千秒差距)的结构。

简而言之,这一结果暗示小红点可能只是“因过于遥远而看不到星系本体、仅见其核心”的天体。

小红点的“后代”是什么?

虽然Saguaro并未否定球状星团或黑洞星等其他假说,但它可以说是理解小红点本质的重要存在。论文共同作者、斯图尔德天文台的George Rieke表示:“早期宇宙中诞生的东西,终究会演化为我们周围存在的什么。此前我们对于小红点会演化成什么毫无头绪,但这次成果提供了找到其‘后代’的方法。”

Rinaldi也指出:“我们认为大部分遥远天体都受到宇宙学效应的影响。即使是韦布太空望远镜,也难以观测到极远处小红点周围过于暗淡的区域。小红点并非只是一个点,而是远为复杂的存在。可以说,它们不过是超大质量黑洞与其周围环境相互作用状况的‘冰山一角’。”

研究团队今后计划进一步寻找与Saguaro性质相似的星系,同时利用已积累的韦布太空望远镜存档数据,对小红点进行统计性调查,以明确周围环境如何影响小红点的成长过程。

编者注:文中距离采用“光行距离”表示,即天体发出的光在抵达地球并被观测到之前所经过的距离。

责任编辑:甘林

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号:astronomycn


爆发中的彗星及冲击波前沿

图源:网络

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