麻省理工學院的天文學家觀測到了宇宙中一些最早的類星體周圍微弱的星光。這些遙遠的訊號起源於130多億年前的宇宙萌芽時期，它們讓人們了解最早的黑洞和星系的演化過程。

類星體是活動星系熾熱明亮的中心，其核心是一個貪得無厭的超大質量黑洞。大多數星係都有一個中心黑洞，它可能會不時地捕食氣體和恆星碎片，當物質湧入黑洞時，就會以發光環的形式產生短暫的爆發光。

相較之下，類星體的運作規模則不同。它們可以在更長的時間內消耗大量物質，產生極其明亮和持久的光環–事實上，類星體是宇宙中最亮的天體之一。

由於類星體非常明亮，所以它們的光芒比所在星系的其他部分更加耀眼。但是，麻省理工學院的研究小組首次觀測到了三顆古老類星體的宿主星系中恆星發出的微弱得多的光。

根據這種難以捉摸的恆星光，研究人員估算了每個宿主星系的質量與其中心超大質量黑洞的質量。他們發現，與現代類星體相比，這些類星體的中央黑洞相對於其宿主星系的質量要大得多。

詹姆斯-韋伯望遠鏡拍攝的照片顯示了紅色圈內的J0148 類星體。兩個插頁上顯示的是中心黑洞，下方顯示的是宿主星系的恆星輻射。圖片來源：研究人員提供；美國太空總署

最近發表在《天文物理學雜誌》上的這項發現，可能會揭示出最早的超大質量黑洞是如何在相對較短的宇宙時間內成長為如此巨大的黑洞的。特別是，與現代黑洞相比，那些最早的怪物黑洞可能是從質量更大的”種子”中萌發出來的。

「宇宙誕生後，出現了一些種子黑洞，然後吞噬物質，在很短的時間內成長起來，」研究報告的作者、麻省理工學院卡弗里天文物理學和太空研究所博士後岳明浩說。 “其中一個最大的問題就是要了解這些怪物黑洞是如何長得如此之大、如此之快的。”

“這些黑洞的質量是太陽的數十億倍，而此時宇宙還處於萌芽階段，”研究報告的作者、麻省理工學院物理學助理教授安娜-克里斯蒂娜-艾勒斯說。 “我們的研究結果意味著，在宇宙早期，超大質量黑洞可能比它們的宿主星系更早獲得質量，最初的黑洞種子可能比今天的質量更大。”

Eilers和Yue的合著者包括麻省理工學院卡弗里主任羅伯特-西姆科（Robert Simcoe）、麻省理工學院哈伯研究員和博士後羅漢-奈杜（Rohan Naidu），以及瑞士、奧地利、日本和北卡羅來納州立大學的合作者。

自1960 年代天文學家首次發現類星體以來，類星體的極高亮度就顯而易見了。當時他們假設類星體的光來自一個類似恆星的”點光源”。科學家將這些天體命名為”類星體”，是”準恆星”的諧音。自首次觀測以來，科學家們已經意識到類星體實際上並非源自恆星，而是由位於星系中心的強大而持久的超大質量黑洞吸積產生的。

要把類星體中央黑洞發出的光與宿主星系恆星發出的光分開來，是一項極具挑戰性的工作。這項任務有點像是分辨中央巨大探照燈周圍的一大片螢火蟲。但近年來，隨著美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）的發射，天文學家們有了更好的機會來完成這項任務。 JWST能夠窺探到更久遠的時間，其靈敏度和分辨率也比現有的任何天文台都要高得多。

在他們的新研究中，Yue 和Eilers 利用JWST 的專用時間觀測了六顆已知的古老類星體，從2022 年秋天到第二年春天間歇性地進行觀測。研究小組總共對這六個遙遠的天體進行了120 多個小時的觀測。

「類星體的亮度要比它的宿主星系高出幾個數量級。而以前的圖像不夠清晰，無法分辨宿主星系及其所有​​恆星的樣子，」Yue 說。 “現在，透過非常仔細地模擬JWST 對這些類星體的更清晰的圖像，我們第一次能夠揭示這些恆星發出的光。”

研究團隊評估了JWST 收集的六顆遙遠類星體的成像數據，他們估計這六顆類星體的年齡約為130 億年。這些數據包括每個類星體不同波長光線的測量值。研究人員將這些數據輸入到一個模型中，該模型可以計算出這些光中有多少可能來自一個緊湊的”點光源”，比如中央黑洞的吸積盤，而有多少可能來自一個更加彌散的光源，例如來自宿主星系周圍散射恆星的光。

透過這種建模，研究小組將每顆類星體的光分成兩部分：來自中央黑洞發光盤的光和來自宿主星系較分散恆星的光。這兩種光源的光量反映了它們的總質量。研究人員估計，對於這些類星體來說，中心黑洞的質量與宿主星系的質量比約為1:10。他們意識到，這與今天1:1,000的質量平衡形成了鮮明對比，在這種情況下，新近形成的黑洞與其宿主星系相比質量要小得多。

“這告訴了我們一些關於什麼最先生長的信息：是黑洞先生長，然後星系跟上？還是星系及其恆星首先生長，它們主導並調節黑洞的生長？”埃勒斯解釋道。 “我們看到，早期宇宙中的黑洞似乎比其宿主星系生長得更快。這初步證明，最初的黑洞種子當時可能質量更大。”

Yue補充說：”在最初的10億年裡，一定有某種機制使黑洞比宿主星系更早獲得質量。這是我們看到的第一個證據，令人興奮”。

編譯來源：ScitechDaily