質量特別大的黑洞–超過太陽質量的一百萬倍，被稱為超大質量黑洞（SMBHs）–在當今宇宙中很常見。然而，在138億年的宇宙演化過程中，它們的起源，以及何時、何地、如何形成的具體細節仍然模糊不清。過去幾十年的研究表明，每個星系的核心都有一個SMBH，它的質量幾乎總是宿主星系的千分之一。

超大質量黑洞（SMBH；中心的小黑點）會吸收周圍的物質，這些物質在流入黑洞時會形成一個螺旋狀的圓盤。物質的引力能量轉化為輻射，並從圓盤中發射出去。具有這種閃亮外圍的SMBH 被稱為”類星體”。資料來源：松岡良樹

這種密切的關係意味著星系和SMBH是共同進化的。因此，揭示SMBH 的起源不僅對了解SMBH 本身至關重要，而且對闡明可見宇宙的主要組成部分–星系的形成過程也至關重要。

解決這個問題的關鍵在於早期宇宙，在早期宇宙中，自宇宙大爆炸（即宇宙開始）以來所經過的時間還不到十億年。由於光速有限，我們可以通過觀測遙遠的宇宙來回顧過去。當宇宙只有十億歲或更小的時候，SMBH 是否就已經存在了呢？

我們用斯巴魯望遠鏡拍攝的夜空照片示例。放大圖像中心的小紅點代表來自遙遠類星體的光線，它存在於宇宙8 億歲時（130 億光年遠）。圖片來源：日本國立天文台

黑洞是否有可能在如此短的時間內獲得如此大的質量（超過一百萬太陽質量，有時甚至達到數十億太陽質量）？如果可能，其基本物理機制和條件是什麼？要接近SMBH 的起源，我們需要觀測它們，並將它們的特性與理論模型的預測進行比較。要做到這一點，首先需要確定它們在天空中的位置。

研究小組利用位於夏威夷毛納凱亞山頂的斯巴魯望遠鏡進行了本次研究。斯巴魯望遠鏡最大的優勢之一就是它的寬視場觀測能力，這一點特別適合這項研究。

由於超巨型天體不發光，研究小組尋找的是一種被稱為”類星體”的特殊類別–超巨型天體的外圍閃閃發光，下沉物質在那裡釋放引力能量。他們觀測了相當於5000 倍滿月的廣闊天空區域，成功發現了162 個居住在早期宇宙中的類星體。其中，22 個類星體存在於宇宙年齡不到8 億年的時代，這是迄今為止發現類星體的最古老時期。

由於發現了大量類星體，他們得以確定最基本的測量方法，即”光度函數”，它描述了類星體的空間密度與輻射能量的函數關係。他們發現，類星體在宇宙早期的形成速度非常快，而光度函數的整體形狀（除振幅外）卻隨著時間的推移而保持不變。

光度函數描述了空間密度（縱軸為Φ）與輻射能量（橫軸為M1450）的函數關係。天文學家繪製了在宇宙年齡為8 億年（紅點）、9 億年（綠菱形）、12 億年（藍方）和15 億年（黑三角）時觀測到的類星體的光度函數。曲線代表最佳擬合函數形式。類星體的空間密度隨著時間的推移急劇上升，而光度函數的形狀幾乎沒有變化。資料來源：《天體物理學雜誌通訊》，949, L42, 2023年

光度函數的這一特徵行為為理論模型提供了強有力的約束，這些理論模型最終可以重現所有觀測數據，並描述SMBH 的起源。

另一方面，眾所周知，宇宙在其早期經歷了被稱為”宇宙再電離”的重大相變。過去的觀測表明，整個星系際空間在這一事件中被電離。電離能量的來源仍有爭議，類星體的輻射被認為是一個有希望的候選者。

通過對上述光度函數進行積分，我們發現類星體在早期宇宙中每側1 光年的單位體積內每秒發出1028 個光子。這還不到當時維持星系際空間電離狀態所需的光子的1%，因此表明類星體對宇宙再電離的貢獻微乎其微。根據最近的其他觀測結果，這可能是正在形成的星系中來自大質量熱恆星的綜合輻射。