天文学家观察到宇宙中一些最早的类星体周围难以捉摸的星光

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詹姆斯·韦伯望远镜的图像显示了J0148类星体的红色圆圈。两个插图显示，顶部是中心黑洞，底部是宿主星系的恒星发射。图片来源：岳明昊，安娜克里斯蒂娜·艾勒斯提供；国家航空和航天局

据麻省理工学院（Jennifer Chu）：麻省理工学院的天文学家观察到了宇宙中一些最早的类星体周围难以捉摸的星光。这些遥远的信号可以追溯到130多亿年前的宇宙婴儿期，揭示了第一批黑洞和星系是如何进化的线索。

类星体是活跃星系的炽热中心，它们的核心有一个永不满足的超大质量黑洞。大多数星系都有一个中心黑洞，偶尔会吞噬气体和恒星碎片，当物质向黑洞旋转时，会以发光环的形式产生短暂的光爆发。

相比之下，类星体可以在更长的时间内消耗大量物质，产生一个极其明亮和持久的环——事实上，如此明亮，以至于类星体是宇宙中最明亮的物体之一。

因为类星体非常明亮，所以它们的亮度超过了它们所在星系的其他部分。但麻省理工学院的团队首次能够观察到来自三个古老类星体宿主星系中恒星的微弱光线。

基于这种难以捉摸的恒星光，研究人员估计了每个宿主星系的质量，并将其与中心超大质量黑洞的质量进行了比较。他们发现，与现代类星体相比，这些类星体的中心黑洞相对于宿主星系的质量要大得多。

今天发表在《天体物理杂志》上的这一发现，可能会揭示最早的超大质量黑洞是如何在相对较短的宇宙时间内成长，却变得如此巨大的。特别是，那些最早的怪物黑洞可能是从比现代黑洞更大的“种子”中发芽的。

麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的博士后、研究作者岳明浩说：“宇宙存在后，出现了种子黑洞，这些黑洞消耗了物质，并在很短的时间内生长。”。“其中一个大问题是了解那些巨大的黑洞是如何长得如此之大、如此之快的。”

麻省理工学院物理学助理教授、研究作者Anna Christina Eilers说：“在宇宙还处于婴儿期的时候，这些黑洞的质量是太阳的数十亿倍。”。“我们的研究结果表明，在早期宇宙中，超大质量黑洞可能比宿主星系更早获得质量，而最初的黑洞种子可能比今天更大。”

Eilers和Yue的合著者包括麻省理工学院Kavli主任Robert Simcoe、麻省理工大学哈勃研究员和博士后Rohan Naidu，以及瑞士、奥地利、日本和北卡罗来纳州立大学的合作者。

耀眼的核心

自20世纪60年代天文学家首次发现类星体以来，类星体的极端光度就一直很明显。当时，他们假设类星体的光来自一个类似恒星的“点源”。科学家们将这些物体命名为“类星体”，即“准恒星”物体的组合体。

自从第一次观测以来，科学家们已经意识到，类星体实际上不是恒星起源的，而是由位于星系中心的强大而持久的超大质量黑洞吸积产生的，这些黑洞也有恒星，与它们耀眼的核心相比，恒星要暗得多。

将类星体中心黑洞的光与宿主星系恒星的光分离是一项极具挑战性的工作。这项任务有点像在中央巨大的探照灯周围辨别萤火虫。但近年来，随着美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的发射，天文学家有了更好的机会做到这一点，该望远镜能够比任何现有的天文台更早地进行观测，并且具有更高的灵敏度和分辨率。

在他们的新研究中，Yue和Eilers利用JWST上的专用时间，从2022年秋天到次年春天，间歇性地观测了六个已知的古老类星体。该团队总共收集了对这六个遥远天体的120多个小时的观测。

岳说：“类星体的亮度比宿主星系高出几个数量级。以前的图像不够清晰，无法区分宿主星系及其所有恒星的样子。”。“现在，我们第一次能够通过非常仔细地建模JWST对这些类星体的清晰图像来揭示这些恒星发出的光。”

轻平衡

该团队评估了JWST收集的六个遥远类星体中每一个的成像数据，他们估计这些类星体的年龄约为130亿年。这些数据包括对每个类星体不同波长的光的测量。研究人员将这些数据输入到一个模型中，该模型显示有多少光可能来自紧凑的“点光源”，如中心黑洞的吸积盘，而不是更漫射的光源，如来自宿主星系周围散射恒星的光。

通过这一建模，研究小组将每个类星体的光分为两部分：来自中心黑洞光盘的光和来自宿主星系更漫射恒星的光。两个光源的光量都反映了它们的总质量。研究人员估计，对于这些类星体，中心黑洞的质量与宿主星系的质量之比约为1:10。他们意识到，这与今天1:1000的质量平衡形成了鲜明对比，在今天的质量平衡中，最近形成的黑洞与宿主星系相比质量要小得多。

Eilers解释道：“这告诉我们什么是首先生长的：是黑洞首先生长，然后星系赶上了吗？还是星系及其恒星首先生长，并控制和调节黑洞的生长？”。“我们看到，早期宇宙中的黑洞似乎比它们的宿主星系生长得更快。这是初步证据，表明当时最初的黑洞种子可能更大。”

岳补充道：“在最初的十亿年里，一定有某种机制使黑洞比宿主星系更早地获得质量。”。“这是我们看到的第一个证据，令人兴奋。”