詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）揭示了宇宙大爆炸後不到十億年的兩個古老星系的類星體星光，揭示了質量接近太陽十億倍的黑洞。這一突破性發現引發了有關早期宇宙以及超大質量黑洞和星系形成順序的問題。

最近發表在《自然》（Nature）雜誌上的一項研究表明，黑洞的質量接近太陽質量的十億倍，而宿主星系的質量幾乎是太陽質量的一百倍，這一比例與近代宇宙中發現的情況相似。斯巴魯望遠鏡和JWST 的強大組合為研究遙遠的宇宙鋪平了一條新的道路。

遙遠宇宙中存在如此巨大的黑洞，給天體物理學家帶來了更多的問題，而不是答案。宇宙如此年輕，這些黑洞怎麼可能長得如此巨大？更令人費解的是，對本地宇宙的觀測表明，超大質量黑洞的質量與它們所在的更大的星系之間存在著明顯的關係。星系和黑洞的大小完全不同，那麼是黑洞先出現還是星系先出現呢？這是一個宇宙尺度上的”先有雞還是先有蛋”的問題。

JWST NIRCam 3.6 μm 拍攝的HSC J2236+0032 圖像。放大圖像、類星體圖像以及減去類星體光線後的宿主星系圖像（從左到右）。每幅圖像中都標明了以光年為單位的圖像比例。圖片來源：Ding, Onoue, Silverman, et al.

由卡夫利宇宙物理與數學研究所（Kavli IPMU）項目研究員丁旭恆和約翰-西爾弗曼教授，以及北京大學卡夫利天文與天體物理研究所（PKU-KIAA）卡夫利天體物理學研究員小野上正夫薩領導的國際研究團隊，已經開始利用2021年12月發射的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）來回答這個問題。

研究宇宙早期宿主星系和黑洞之間的關係可以讓科學家觀察它們的形成過程，了解它們之間的關係。

類星體很亮，而它們的宿主星系卻很暗，這使得研究人員很難在類星體的強光下探測到星系的暗光，尤其是在很遠的距離上。在JWST 出現之前，哈勃太空望遠鏡能夠探測到明亮類星體的宿主星系，當時宇宙的年齡還不到30 億年，但已經不再年輕了。

美國國家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡將其主鏡完全展開，形成在太空中時的構型。圖片來源：NASA/Chris Gunn

JWST在紅外波段的超高靈敏度和超清晰圖像終於讓研究人員能夠將這些研究推向類星體和星系最初形成的時間。就在JWST 開始正常運行幾個月後，研究小組觀測到了兩顆類星體，分別是HSC J2236+0032 和HSC J2255+0251，紅移分別為6.40 和6.34，當時宇宙的年齡大約為8.6 億年。

這兩顆類星體是在夏威夷毛納凱亞山頂的8.2 米蘇巴魯望遠鏡的深度巡天計劃中發現的。這兩顆類星體的光度相對較低，是測量宿主星系特性的主要目標，宿主星系的成功探測代表了迄今為止在類星體中探測到星光的最早時間。

卡弗利IPMU項目研究員丁旭恆、約翰-西爾弗曼（John Silverman）教授和卡弗利天文學和天體物理學研究所（PKU-KIAA）卡弗利天體物理學研究員Masafusa Onoue（左起）。圖片來源：卡弗里國際天文物理研究所、卡弗里國際天文物理研究所、Masafusa Onoue

這兩顆類星體的圖像是用JWST 的NIRCam 儀器以3.56 和1.50 微米的紅外波長拍攝的，在仔細建模並減去來自吸積黑洞的眩光後，宿主星系變得清晰可見。在JWST 的近紅外光譜儀為J2236+0032 拍攝的光譜中也可以看到宿主星系的恆星特徵，這進一步支持了宿主星系的探測。

對宿主星系光度的分析發現，這兩個類星體宿主星系的質量很大，分別是太陽質量的1300億倍和340億倍。通過近紅外光譜儀光譜對類星體附近湍流氣體速度的測量表明，為類星體提供能量的黑洞質量也很大，分別是太陽質量的14億倍和2億倍。黑洞質量與宿主星系質量之比類似於近期星系的質量，這表明黑洞與其宿主星系之間的關係在宇宙大爆炸後8.6億年就已經存在了。

丁、西爾弗曼、奧努埃和他們的同事將利用計劃中的第一周期JWST 觀測，用更大的樣本繼續這項研究，這將進一步製約黑洞及其宿主星系共同演化的模型。研究小組最近得知，他們已經獲得了JWST 在下一個週期的額外時間來研究黑洞及其宿主星系。