宇宙模拟显示Webb望远镜可以揭示隐藏在类星体眩光中的遥远星系

这位画家的插图描绘了宇宙最初十亿年中存在的两个星系。左侧较大的星系在其中心拥有一个明亮的类星体，其辉光由围绕超大质量黑洞的热物质提供动力。科学家计算得出，尽管类星体有探照灯光束，但美国宇航局即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜的分辨率和红外灵敏度将使其能够探测到这样一个尘土飞扬的宿主星系。

遥远的年轻宇宙中最明亮的物体是类星体。这些宇宙信标由超大质量的黑洞以猛烈的速度消耗着物质。类星体是如此明亮，以至于它们可以胜过整个宿主星系，因此很难研究这些星系并将它们与没有类星体的星系进行比较。

一项新的理论研究探讨了计划于2021年发射的NASA即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜如何能够将主星系的光线与明亮的中央类星体分开。研究人员发现，韦伯可以探测到发生大爆炸仅十亿年后就存在的宿主星系。

该视频放大了称为BlueTides的宇宙的高度详细的模拟。就像标志性的《十个力量》视频一样，每个步骤的距离比上一个步骤小10倍。第一帧跨越大约2亿光年，而第四帧和最后一帧仅跨越20万光年，并包含两个星系。研究人员使用此模拟研究了包含类星体的星系的性质-类星体是通过吸收超大质量黑洞来驱动的明亮银河系核心。

类星体是宇宙中最明亮的物体，也是最活跃的物体。它们胜过数十亿颗星的整个星系。每个类星体的中心都有一个超大质量的黑洞，但并不是每个黑洞都是类星体。只有最疯狂地进食的黑洞才能为类星体供电。掉入超大质量黑洞中的物质会变热，并导致类星体像灯塔灯塔一样在整个宇宙中发光。

尽管已知类星体位于星系的中心，但很难说出这些星系是什么样的，以及它们与没有类星体的星系相比如何。挑战在于，类星体的眩光使得很难或不可能嘲笑周围宿主星系的光线。这就像直接观察汽车前灯并试图找出它所连接的汽车类型一样。

一项新研究[1]表明，定于2021年发射的NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够揭示一些遥远类星体的星系，尽管它们的体积很小且尘埃遮盖了。

这些模拟图像显示了类星体及其宿主星系在NASA即将推出的James Webb太空望远镜（上）和Hubble太空望远镜（下）分别以1.5和1.6微米的红外波长出现时的样子。韦伯更大的镜子将提供四倍以上的分辨率，使天文学家能够将星系的光线与中央类星体的压倒性光线分开。单个图像在天空上跨越约2弧秒，表示红移为7时距离为36,000光年。

“我们想知道这些类星体生活在哪种星系中。这可以帮助我们回答以下问题：黑洞怎么能这么快地变得如此之大？就像我们在附近的宇宙中看到的那样，银河系的质量和黑洞的质量之间有关系吗？”澳大利亚墨尔本大学的主要作者马德琳·马歇​​尔（Madeline Marshall）说，她在ARC 3D全方位天空天体物理学卓越中心进行了她的工作。

出于多种原因，回答这些问题具有挑战性。特别是，星系越远，由于宇宙的膨胀，它的光越被拉伸到更长的波长。结果，黑洞吸积盘或星系的年轻恒星发出的紫外光被转移到红外波长。

在最近的一项研究中[2]，天文学家利用美国宇航局的哈勃太空望远镜的近红外能力研究了已知的类星体，希望能在没有重大发现的情况下发现其宿主星系周围的辉光。这表明银河系中的尘埃正在掩盖其恒星的光。韦伯的红外探测器将能够窥视灰尘并发现隐藏的星系。

“哈勃根本无法深入红外，无法看到宿主星系。这是Webb真正擅长的地方，”哈勃研究的合著者，位于坦佩的亚利桑那州立大学的Rogier Windhorst说。

为了确定Webb期望看到的东西，该团队使用了由Bluenides所提供的最先进的计算机仿真技术，该仿真技术是由宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的Tiziana Di Matteo领导的团队开发的。

“ BlueTides旨在研究宇宙历史的前十亿年中星系和类星体的形成和演化。卡内基梅隆大学的Niueying Ni负责运行BlueTides仿真，它的宇宙体积大，空间分辨率高，使我们能够在统计基础上研究那些稀有的类星体宿主。BlueTides与当前的观察结果非常吻合，并允许天文学家预测Webb应该看到的东西。

研究小组发现，容纳类星体的星系往往小于平均星系，尽管其质量几乎与银河系相同，但仅跨越银河系直径的1/30。马歇尔说：“与当时的平均星系相比，宿主星系非常小。”

模拟中的星系也倾向于迅速形成恒星，比银河系中当前恒星的形成速度快600倍。“我们发现这些系统增长非常快。他们就像早熟的孩子一样-他们早日做好一切。”合著者Di Matteo解释道。

然后，研究小组使用这些模拟来确定如果天文台研究了这些遥远的系统，韦伯的相机将会看到什么。他们发现，有可能将主星系与类星体区分开，尽管由于星系在天空中的体积很小，仍具有挑战性。

马歇尔说：“韦伯将为首次观察这些遥远的宿主星系提供机会。”

他们还考虑了Webb的光谱仪可以从这些系统中收集到什么。光谱研究将入射光分成其组分颜色或波长，可以揭示这些系统中粉尘的化学成分。了解它们含有多少重元素可以帮助天文学家了解其恒星形成的历史，因为大多数化学元素都是在恒星中产生的。

韦伯还可以确定宿主星系是否孤立。哈勃望远镜的研究发现，大多数类星体都有可检测到的伴星系，但无法确定这些星系是否真的在附近或它们是否是偶然的叠加。韦伯的光谱能力将使天文学家能够测量那些明显的伴星系的红移，从而测量它们的距离，从而确定它们与类星体的距离是否相同。

最终，韦伯的观察结果应该为这些极端系统提供新的见解。天文学家仍在努力理解，黑洞如何在短短十亿年间增长到比我们的太阳重十亿倍的重量。墨尔本大学的合著者Stuart Wyithe说：“这些大的黑洞不应该这么早就存在，因为没有足够的时间让它们长成如此大的体积。”

未来多个观测站之间的协同作用也将推动未来的类星体研究。欧洲航天局的Euclid任务以及地面的Vera C. Rubin天文台的红外测量，这是国家科学基金会/能源部的设施，目前正在智利阿塔卡马沙漠的CerroPachón建造。两个天文台都会大大增加已知的遥远类星体的数量。然后，哈勃和韦伯将对这些新发现的类星体进行检查，以获取对宇宙形成年的新认识。

参考：

Bluetides模拟（项目PI：卡内基梅隆大学的Tiziana Di Matteo）在由美国国家科学基金会支持的Blue Waters持续PB级计算设施中运行。

詹姆斯·韦伯（James Webb）太空望远镜将于2021年发射升空，它将是世界上最重要的太空科学天文台。韦伯将解决我们太阳系中的谜团，将目光投向其他恒星周围的遥远世界，并探索宇宙的神秘结构和起源以及我们在宇宙中的位置。Webb是一项由NASA及其合作伙伴ESA（欧洲航天局）和加拿大航天局领导的国际计划。