麻省理工学院的天文学家观测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 多亿年前宇宙的婴儿期，揭示了第一批黑洞和星系如何演化的线索。

类星体是活跃星系的炽热中心，其核心处有一个贪得无厌的超大质量黑洞。大多数星系的中心都有一个黑洞，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闪光。

相比之下，类星体可以在更长的时间内消耗大量物质，形成极其明亮且持久的环——事实上，类星体是如此明亮，以至于它是宇宙中最明亮的物体之一。

由于类星体非常明亮，因此其亮度比其所在星系的其他恒星都要高。但麻省理工学院的研究小组首次观测到了三颗古老类星体所在星系中恒星发出的微弱得多的光线。

根据这种难以捉摸的恒星光，研究人员估算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比较。他们发现，对于这些类星体来说，与现代黑洞相比，中心黑洞相对于宿主星系的质量要大得多。

今天发表在《天体物理学杂志》上的这项研究结果 或许能解释，尽管最早的超大质量黑洞在相对较短的宇宙时间内能够形成如此巨大的质量。具体来说，与现代黑洞相比，最早的巨型黑洞可能源自更重的“种子”。

“宇宙诞生后，出现了种子黑洞，它们在很短的时间内吞噬物质并不断生长，”麻省理工学院卡夫利天体物理和空间研究所的博士后、这项研究的作者岳明浩说。“最大的问题之一是了解这些怪物黑洞是如何如此迅速地长大的。”

“这些黑洞的质量是太阳的数十亿倍，而当时宇宙还处于起步阶段，”研究作者、麻省理工学院物理学助理教授安娜·克里斯蒂娜·艾勒斯 (Anna-Christina Eilers) 表示。“我们的研究结果表明，在早期宇宙中，超大质量黑洞的质量可能早于其宿主星系，而最初的黑洞种子的质量可能比现在更大。”

Eilers 和 Yue 的合著者包括麻省理工学院 Kavli 主任 Robert Simcoe、麻省理工学院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。

耀眼核心

自 20 世纪 60 年代天文学家首次发现类星体以来，其极高的光度就显而易见。他们当时假设类星体的光来自一个类似恒星的“点源”。科学家将这些物体命名为“类星体”，这是“类恒星”物体的混合词。自首次观测以来，科学家们已经意识到类星体实际上并非源自恒星，而是由位于星系中心的强大而持久的超大质量黑洞的吸积而形成的，这些黑洞也包含恒星，与它们耀眼的核心相比，这些恒星要暗淡得多。

将类星体中心黑洞发出的光与宿主星系恒星发出的光区分开来是一项极具挑战性的任务。这项任务有点像辨别围绕着中心巨大探照灯的萤火虫群​​。但近年来，随着美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的发射，天文学家有了更好的机会来实现这一目标。与任何现有天文台相比，该望远镜能够观测更远的过去，灵敏度和分辨率也更高。

在他们的新研究中，岳和艾勒斯利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的专门时间，从 2022 年秋季到次年春季间歇性地观察了六个已知的古老类星体。总的来说，该团队对这六个遥远物体进行了超过 120 小时的观测。

“类星体的亮度比其宿主星系高出几个数量级。之前的图像不够清晰，无法分辨出宿主星系及其所有​​恒星的样子，”岳说。“现在，我们首次能够通过非常仔细地模拟詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的这些类星体的清晰得多的图像来揭示这些恒星发出的光。”

轻松平衡

研究小组对詹姆斯·韦伯太空望远镜收集的六个遥远类星体的成像数据进行了评估，他们估计这些类星体大约有 130 亿年的历史。这些数据包括对每个类星体不同波长光的测量。研究人员将这些数据输入一个模型，该模型表明这些光中有多少可能来自一个紧凑的“点源”，比如中心黑洞的吸积盘，而不是一个更分散的光源，比如来自宿主星系周围散落恒星的光。

通过这种建模，研究小组将每个类星体的光分为两个部分：来自中心黑洞发光盘的光和来自宿主星系更弥散的恒星的光。来自两个光源的光量反映了它们的总质量。研究人员估计，对于这些类星体来说，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，这与今天的 1:1,000 的质量平衡形成了鲜明对比，在今天的质量平衡中，最近形成的黑洞的质量比宿主星系小得多。

“这告诉我们什么先增长：是黑洞先增长，然后星系赶上来?还是星系及其恒星先增长，然后它们主导和调节黑洞的增长?”艾勒斯解释道。“我们发现早期宇宙中的黑洞似乎比其宿主星系增长得更快。这是初步证据表明，最初的黑洞种子当时可能质量更大。”

“一定存在某种机制，使得黑洞在最初十亿年内比其宿主星系更早获得质量，”岳补充道。“这是我们看到的第一个证据，令人兴奋。”