天文學家利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）探測到了起源不明的古老孤獨類星體。 它們似乎很少有宇宙鄰居，這讓人們對它們是如何在130多億年前首次出現的產生了疑問。

這幅由美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡拍攝的圖像顯示，一顆古老的類星體（紅色圈內）的鄰近星系（明亮的圓球）比預期的要少，這挑戰了物理學家對第一顆類星體與超大質量黑洞形成過程的理解。 圖片來源：Christina Eilers/EIGER 團隊

類星體是位於星系中心的一個極其明亮的區域，由一個超大質量黑洞驅動。 當這個黑洞從周圍吸入氣體和塵埃時，會釋放出巨大的能量，使類星體成為宇宙中最亮的天體之一。 類星體早在宇宙大爆炸後的幾億年就被探測到了，這就提出了一個問題：類星體是如何在如此短的宇宙時間內變得如此巨大和明亮的？

科學家認為，第一批類星體是在原始物質密度過高的區域形成的，這很可能也孕育了附近較小的星系。 然而，麻省理工學院領導的一項最新研究發現，其中一些古老的類星體似乎是孤立的，並沒有早期宇宙中預期的稠密星系環境。

天文學家們使用NASA的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）窺探了130多億年前的時光，研究了五顆已知古老類星體的宇宙環境。 他們發現這些類星體的周圍環境（或稱為”類星體場”）有著驚人的變化。 正如所有模型所預測的那樣，一些類星體位於非常擁擠的星域中，鄰近的星系超過50 個，而其餘的類星體似乎漂泊在空曠的地方，附近只有幾個遊離的星系。

這些孤獨的類星體對物理學家的理解提出了挑戰，他們不明白在宇宙中如此早的時候，這些發光體是如何形成的，而周圍又沒有大量的物質來源來促進它們的黑洞生長。

類星體是遙遠星系的強光中心，由吞噬氣體和塵埃的超大質量黑洞驅動，釋放出大量能量。 這些天體是宇宙中最亮的一些天體，在數十億光年的距離內都能看到。 資料來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

“與先前的想法相反，我們發現平均而言，這些類星體並不一定位於早期宇宙中密度最高的區域。 它們中的一些似乎是坐落在荒無人煙的地方，”麻省理工學院物理學助理教授安娜-克里斯蒂娜-艾勒斯（Anna-Christina Eilers）說。 “如果這些類星體看起來沒有任何養料，就很難解釋它們是如何長到這麼大的。”

有一種可能性是，這些類星體可能並不像它們看起來的那樣孤獨，而是被星系所包圍，而這些星係被大量的塵埃所籠罩，因此無法被觀測到。 埃勒斯和她的同事希望調整他們的觀測結果，試圖看穿這些宇宙塵埃，從而了解類星體是如何在宇宙早期長得如此之大、如此之快的。

艾勒斯和她的同事在10月17日發表在Astrophysical Journal上的一篇論文中報告了他們的發現。 麻省理工學院的合著者包括博士後羅漢-奈杜（Rohan Naidu）和岳明皓；弗朗西斯-弗里德曼物理學教授、麻省理工學院卡弗里天文物理學與太空研究所所長羅伯特-西姆科（Robert Simcoe）；以及來自萊頓大學、加州大學聖塔芭芭拉分校、蘇黎世聯邦理工學院等機構的合作者。

新觀測到的五顆類星體是迄今為止觀測到的最古老的類星體之一。 這些天體的年齡超過130億年，被認為是在宇宙大爆炸後6億到7億年之間形成的。 驅動類星體的超大質量黑洞的質量是太陽的十億倍，亮度是太陽的一兆倍。 由於它們的光度極高，每個類星體發出的光都能穿越宇宙的年齡，遠到足以到達今天JWST 的高靈敏度探測器。

埃勒斯說：”我們現在擁有的望遠鏡可以捕捉到130 億年前的光線，而且細節如此豐富，這實在是太驚人了。JWST第一次讓我們能夠觀察這些類星體的環境，它們在哪裡長大，它們的鄰居是什麼樣的。

研究小組分析了JWST 在2022 年8 月至2023 年6 月期間拍攝的五顆古老類星體的影像。 對每顆類星體的觀測都包括多幅”馬賽克”影像，即類星體場的局部視圖，研究小組將這些影像有效地拼接在一起，以產生每顆類星體周圍鄰域的完整影像。

該望遠鏡還測量了每個類星體場中多個波長的光線，研究小組隨後對其進行了處理，以確定場中的特定物體是否是來自鄰近星系的光線，以及該星系距離亮度更高的中心類星體有多遠。

埃勒斯說：『我們發現，這五顆類星體之間唯一的區別就是它們所處的環境看起來非常不同。例如，一個類星體周圍有近50 個星系，而另一個類星體周圍只有兩個星系。

挑戰標準模型

類星體場的差異為黑洞成長和星系形成的標準圖像帶來了難題。 根據物理學家對宇宙中第一批天體如何出現的最佳理解，暗物質的宇宙網絡應該已經設定了方向。 暗物質是一種尚未知曉的物質形式，除了透過重力之外，它與周圍環境沒有其他相互作用。

在宇宙大爆炸後不久，早期宇宙被認為形成了暗物質絲，這些暗物質絲就像一條引力道路，吸引氣體和塵埃沿著它的捲鬚移動。 在這張網過於密集的區域，物質會累積形成更大質量的天體。 而最亮、質量最大的早期天體，如類星體，會在網的最高密度區域形成，這些區域也會產生更多更小的星系。

「暗物質宇宙網是我們宇宙學模型的一個可靠預測，它可以透過數值模擬得到詳細描述，」論文合著者、萊頓大學研究生埃利亞-皮扎蒂（Elia Pizzati）說。 “透過將我們的觀測結果與這些模擬結果進行比較，我們可以確定類星體在宇宙網絡中的位置。”

科學家估計，類星體必須以極高的吸積率持續成長，才能在天文學家觀測到它們的時候，也就是大爆炸後不到10億年的時候，達到極高的質量和光度。

「我們試圖回答的主要問題是：在宇宙還非常非常年輕的時候，這些十億太陽質量的黑洞是如何形成的？ 艾勒斯說：『它還處於起步階段。 “

研究小組的發現提出的問題可能比答案更多。 這些”孤獨”的類星體似乎生活在太空中相對空曠的區域。 如果物理學家的宇宙學模型是正確的，那麼這些荒蕪的區域就意味著暗物質，或者醞釀恆星和星系的起始物質非常少。 那麼，極其明亮和巨大的類星體是如何形成的呢？

埃勒斯說：”我們的研究結果表明，關於這些超大質量黑洞是如何生長的，還有很大一塊謎題沒有解開。如果周圍沒有足夠的物質讓一些類星體能夠持續增長，那就意味著它們一定還有其他的成長方式，而我們還沒搞清楚。

編譯自/ SciTechDaily