天文学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到了起源不明的古老孤独类星体。它们似乎鲜有宇宙“邻居”，这引发了关于它们如何在 130 多亿年前首次出现的问题。

类星体是星系中心一个非常明亮的区域，由超大质量黑洞提供能量。当这个黑洞从其周围吸收气体和尘埃时，会释放出巨大的能量，使类星体成为宇宙中最明亮的天体之一。早在宇宙大爆炸后几亿年，人们就探测到了类星体的存在，这引发了一个问题：在如此短的宇宙时间内，它们是如何变得如此巨大和明亮的？

科学家认为，最早的类星体形成于密度过大的原始物质区域，这些区域可能也催生了附近的较小星系。然而，最近一项由麻省理工学院主导的研究揭示，这些古老的类星体中有一些似乎是独立存在的，并没有早期宇宙中预期的那种密集的星系环境。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果

天文学家利用美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）回望130多亿年前的宇宙，研究5个已知古老类星体的宇宙环境。他们发现这些类星体所在区域，或“类星体场”，的情况竟大相径庭。虽然一些类星体位于星系密集的区域，周围有超过50个邻近星系（所有模型均预测到这一点），但其余类星体似乎漂浮在宇宙空洞中，附近只有少数几个流浪星系。

这些孤独的类星体对物理学家们提出了挑战，因为这些发光的天体是在宇宙早期形成的，当时并没有大量周围的物质为其黑洞的增长提供能量来源。

古代类星体的隔离

麻省理工学院物理学助理教授安娜·克里斯蒂娜·艾勒斯表示：“与之前人们的认知相反，我们发现这些类星体平均而言并不一定处于宇宙早期密度最高的区域。其中一些似乎位于荒郊野外。”“如果它们看起来没有任何物质可以吞噬，就很难解释这些类星体怎么能长得如此巨大。”

这些类星体可能并不像它们看上去那么孤单，其周围可能围绕着被尘埃重重笼罩的星系，因而无法被观测到。艾勒斯及其同事希望调整他们的观测方法，试图穿透这些宇宙尘埃，以便了解类星体如何在早期宇宙中如此迅速膨胀到如此之大。

艾勒斯（Eilers）及其同事于10月17日在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文中报告了他们的发现。该论文的麻省理工学院（MIT）合著者包括博士后研究员罗汉·奈杜（Rohan Naidu）和明浩·岳（Minghao Yue）；物理学教授、弗朗西斯·弗里德曼（Francis Friedman）物理学教授及麻省理工学院卡夫利天体物理和太空研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）所长罗伯特·西姆科（Robert Simcoe）；以及来自莱顿大学、加州大学圣塔芭芭拉分校、苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）等其他机构的合作者。

深空探索

这五颗新观测到的类星体属于迄今为止观测到的最古老的类星体。它们的年龄超过130亿年，据推测形成于大爆炸后6亿至7亿年。驱动这些类星体的超大质量黑洞的质量是太阳的10亿倍，亮度是太阳的1万亿倍以上。由于它们的亮度极高，每颗类星体发出的光都能在宇宙的年龄中穿行，足够远地传播到詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）今天使用的高灵敏度探测器上。

艾勒斯说道：“我们现在竟然拥有了可以如此详尽地捕捉130亿年前光线的望远镜，这简直是太神奇了。詹姆斯·韦伯太空望远镜使我们第一次能够观测到这些类星体的环境，观测到它们的成长之地以及周围环境的模样。”

类星体之间的环境差异

该团队分析了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2022年8月至2023年6月期间拍摄的这五颗古老类星体的图像。每颗类星体的观测数据由多张“马赛克”图像或类星体领域的局部视图组成，团队将这些图像有效拼接在一起，从而形成了每颗类星体周围环境的完整图像。

该望远镜还测量了每个类星体场中不同波长的光，研究小组随后对这些数据进行了处理，以确定该场中的某一特定天体是邻近星系发出的光，以及该星系距离明亮得多的中心类星体有多远。

艾勒斯（Eilers）说：“我们发现这五个类星体之间唯一的区别是它们所处的环境看起来如此不同。例如，其中一个类星体周围有近50个星系，而另一个只有两个。而这两个类星体在宇宙中的大小、体积、亮度和时间都是相同的。这着实令人惊讶。”

挑战标准模型

类星体领域的差异为黑洞增长和星系形成的标准图像带来了曲折。根据物理学家对宇宙中第一个物体如何产生的最佳理解，一个由暗物质构成的宇宙网本应为这一过程奠定基础。暗物质是一种尚未被发现的物质形式，除了通过引力之外，它不与周围环境发生任何其他相互作用。

大爆炸后不久，早期宇宙被认为形成了暗物质细丝，它们起到了一种引力通道的作用，沿着其触须吸引气体和尘埃。在这个网络过于密集的区域，物质会积聚起来形成更大的天体。而那些最明亮、最庞大的早期天体，比如类星体，会在网络密度最高的区域形成，那里还会孕育出更多的小型星系。

“暗物质的宇宙网是对我们宇宙学宇宙模型的一项可靠预测，可以通过数值模拟对其进行详细描述，”共同作者、莱顿大学研究生埃利亚·皮扎蒂表示。“通过将我们的观测结果与这些模拟进行比较，我们可以确定类星体在宇宙网中的位置。”

科学家估计，类星体必须持续以极高的吸积率增长，才能在大爆炸后不到10亿年的天文学家观测时期达到极端的质量和亮度。

孤立类星体的含义

艾勒斯（Eilers）说：“我们试图回答的主要问题是，在宇宙还处于非常、非常年轻的时期，这些质量为十亿太阳质量的黑洞是如何形成的？宇宙还处于萌芽阶段。”

研究团队的发现可能引发的问题多于解答。“孤独”的类星体似乎存在于相对空旷的宇宙区域。如果物理学家的宇宙学模型是正确的，那么这些贫瘠的区域就意味着暗物质极少，或用于孕育恒星和星系的基本物质极少。那么，极其明亮且质量极大的类星体究竟是如何形成的呢？

艾勒斯（Eilers）说：“我们的研究结果表明，关于这些超大质量黑洞如何增长，仍缺少至关重要的关键信息。如果某些类星体周围没有足够的物质供其持续增长，那就意味着它们必定有其他的增长方式，而我们尚未发现。”

参考文献：《天体物理学杂志》2024年10月17日文章，“EIGER. VI. 红移z ≳ 6的明亮类星体的相关函数、宿主星系晕质量和活动周期”，作者：安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯、罗里·麦肯齐、埃利亚·皮扎蒂、乔里特·马特西、约瑟夫·F·亨纳维、张浩文、龙蒙·波尔多洛伊、大智·卡希诺、西蒙·J·莉莉、罗汉·P·奈杜、罗伯特·A·西姆科、明浩·岳、卡洛斯·S·弗伦克、约翰·C·赫利、马修·沙勒和约普·谢伊。 DOI：10.3847/1538-4357/ad778b

本研究部分得到了欧洲研究理事会的支持。