원시 블랙홀에 대한 우주 망원경 웹 검색

James Webb 우주 망원경의 예술가 렌더링. 크레딧: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

Webb 우주 망원경 팀 계속 일하다 나에게 시운전 그것은 여름에 과학 작업이 시작되기 전의 마지막 단계입니다. 우리는 최근에 놀라운 사진을 보았습니다. 우리 은하의 중심에 있는 블랙홀, 우리 은하에 의해 촬영 이벤트 호라이즌 망원경. 현대 천문학의 신비 중 하나는 각 사람의 키가 얼마나 큽니까? 은하 그는 거대한 중심을 가지러 왔다 블랙홀그리고 이 블랙홀 중 일부는 우주의 아주 초기 시대에도 놀랍게도 얼마나 큰지. Webb의 NIRSpec 팀 구성원인 Roberto Maiolino에게 Webb가 이러한 질문 중 일부에 대한 답변에 어떻게 도움이 되는지 알려달라고 요청했습니다.

“Webb이 이제 막 밝혀내고자 하는 가장 흥미로운 발견 영역 중 하나는 초기 우주에서 원시 블랙홀을 찾는 것입니다. 이것은 천문학자들이 은하핵에서 발견한 가장 거대한 블랙홀의 씨앗입니다. 대부분(아마도 모두) 은하는 중심에 블랙홀이 있으며 그 질량은 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배입니다. 이 초대질량 블랙홀은 주변의 물질을 집어삼키고 더 작은 블랙홀을 병합함으로써 매우 커지게 되었습니다.

“최근 흥미로운 발견은 수십억 태양질량의 초거대질량 블랙홀의 발견으로, 우주의 나이가 현재 138억 년에 불과한 약 7억 년에 불과할 때 실제로 존재했던 것입니다. 이것은 수수께끼입니다. 결과적으로, 표준 이론에 따르면 그러한 초기 시대에 그러한 거대한 블랙홀을 개발할 시간이 충분하지 않았기 때문입니다. 이 미스터리를 풀기 위해 몇 가지 시나리오가 제안되었습니다.

한 가지 가능성은 초기 우주에서 1세대 별의 죽음으로 인한 블랙홀이 예외적으로 빠른 속도로 물질을 축적했다는 것입니다. 또 다른 시나리오는 아직 헬륨보다 무거운 화학 원소가 풍부하지 않은 원시 가스 구름이 직접 붕괴하여 다음을 형성할 수 있다는 것입니다.[{” attribute=””>black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.

Populations of Known Black Holes in Early Universe

This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge

“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.

“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.

“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.

“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”

Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge

Written by:

  • Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist, NASA’s Goddard Space Flight Center
  • Stefanie Milam, Webb deputy project scientist for planetary science, NASA’s Goddard Space Flight Center

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