早期宇宙星系级黑洞的食物是什么?

天文学家使用欧洲南方天文台的超大望远镜观测到宇宙中一些最早星系周围的冷气层，这些气体晕是这些星系中心超大质量黑洞的完美食物，它们被认为是超过125亿年，这种食物储存也许可以解释为什么这些宇宙怪物在宇宙历史上被称为宇宙黎明的时期长得如此之快。

“我们现在能够证明，第一次原始星系有足够的食物在它们的环境中维持超大质量黑洞的增长和激烈的恒星形成，”埃保罗·法里说，海德堡马克斯-普朗克天文研究所的德国,领导这项研究发表在《天体物理学杂志》上。“这为天文学家正在构建的宇宙结构是如何在120多亿年前形成的这个谜题增加了一个基础的部分。”

通过欧洲南方天文台(ESO)超大望远镜上的MUSE仪器新近观测到的一个气体晕，叠加在与阿尔玛星系合并的旧图像上。大规模的氢气晕显示为蓝色，而ALMA数据显示为橙色。日冕与星系紧密相连，星系中心有一个类星体。晕中微弱发光的氢气为类星体中心的超大质量黑洞提供了完美的食物来源。这幅图像中的物体位于红移6.2，这意味着它们看起来和128亿年前一样。虽然类星体很明亮，但它们周围的气层却很难观察到。但是缪斯望远镜能够探测到光环中微弱的氢气辉光，这使得天文学家们最终能够发现在早期宇宙中为超大质量黑洞提供能量的食物储藏。来源:ESO/Farina等;ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、Decarli等。

天文学家一直想知道，超大质量黑洞是如何在宇宙历史的早期发展到如此之大的，法里纳说：“这些早期怪物的存在是一个大谜团，它们的质量是我们太阳质量的数十亿倍。这意味着第一个黑洞，可能是由第一批恒星的坍缩形成的，一定成长得很快，但是，到目前为止，天文学家们还没有发现“黑洞食物”——气体和尘埃——有足够的数量来解释这种快速增长。

更复杂的是，先前对ALMA的观测，即阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列，揭示了这些早期星系中大量的尘埃和气体，它们加速了恒星的形成。这些阿尔玛的观测结果表明，黑洞的食物可能所剩无几。

为了解开这个谜团，法里纳和他的同事们使用位于智利阿塔卡马沙漠的ESO超大望远镜上的MUSE仪器来研究类星体——由位于大质量星系中心的超大质量黑洞提供能量的极度明亮的物体。这项研究调查了31个被认为是超过125亿年前的类星体，当时宇宙还处于婴儿期，只有大约8.7亿年的历史，这是类星体在宇宙早期历史中最大的样本之一。

天文学家们发现，12个类星体被巨大的气层所包围:从中心的黑洞向外延伸10万光年的冷而稠密的氢气晕，其质量是太阳的数十亿倍。来自德国、美国、意大利和智利的研究小组还发现，这些气体晕与星系紧密相连，为维持超大质量黑洞的生长和恒星的形成提供了完美的食物来源。

这项研究之所以成为可能，要归功于多单元光谱探测仪MUSE对ESO的VLT具有极高的灵敏度。法里纳表示，这是类星体研究中的“游戏规则改变者”，他补充道:“在每一个目标几小时内，我们就能够深入到年轻宇宙中存在的最庞大、最贪婪的黑洞的周围，”虽然类星体很明亮，但它们周围的气层却很难观察到。但是缪斯望远镜能够探测到光环中微弱的氢气辉光，这使得天文学家们最终能够发现在早期宇宙中为超大质量黑洞提供能量的食物储藏。

在未来，ESO的超大望远镜将帮助科学家揭示更多关于大爆炸后最初几十亿年的星系和超大质量黑洞的细节。“有了ELT的力量，我们将能够更深入地探索早期宇宙，找到更多这样的气体星云，”法里纳总结道。

这项研究发表在《天体物理学杂志》上。

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