天文学家发现了最遥远的确证黑洞，它隐藏在一个罕见的星系中，该星系被称为“小红斑”。它体积庞大且存在年代久远，对目前关于年轻宇宙中星系和黑洞如何形成的理论提出了挑战。
一个由得克萨斯大学奥斯汀分校宇宙前沿研究中心领导的天文学家全球团队已确认发现了有史以来观测到的最遥远的黑洞。该黑洞位于名为CAPERS-LRD-z9的星系内，该星系仅在大爆炸后5亿年就存在了。
换句话说，我们看到的它的光线已经传播了133亿年，揭示了宇宙仅为其当前年龄3%时的状态。这一非凡的发现为科学家们提供了一个前所未有的机会，让他们能够研究宇宙结构和宇宙演化是如何在宇宙最早、最不为人知的阶段之一中形成的。
“在寻找黑洞的过程中，这几乎已经是当前技术所能追溯到的极限。我们真的在挑战当前技术探测能力的边界，”宇宙前沿研究中心博士后研究员安东尼·泰勒说，他领导了此次发现的研究团队。他们的研究成果于8月6日发表在《天体物理学杂志》上。
该论文的合著者、宇宙前沿研究中心主任史蒂文·芬克尔斯坦补充道：“虽然天文学家已经发现了一些更遥远的候选天体，但他们还没有找到与黑洞相关的独特光谱特征。”
探测黑洞的特征
天文学家利用光谱学将光分解成多种波长，以研究天体的特性。为了确定黑洞的存在，他们寻找快速移动的气体的证据。当气体绕黑洞旋转并最终落入黑洞时，远离我们的气体所发出的光被拉伸成更长的红色波长，而朝向我们移动的气体所发出的光则被压缩成更短的蓝色波长。“能产生这种特征的现象并不多，”泰勒解释道，“而这个星系就有这种特征！”“
研究团队在搜索过程中使用了詹姆斯·韦伯太空望远镜 (James Webb Space Telescope)“CAPERS”（再电离时代宇宙学深场棱镜巡天，CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey）项目的数据。詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年发射升空，是目前观测范围最广的太空望远镜，而CAPERS则提供了宇宙最边缘的观测数据。
“CAPERS的首要目标是确认并研究最遥远的星系，”论文的合著者、CAPERS团队负责人马克·迪克森说，“JWST光谱是确认星系距离和理解其物理特性的关键。”
起初，在该项目的图像中，CAPERS-LRD-z9只是被视为一个有趣的斑点，但事实证明，它是被称为“小红点”的一类新星系的一部分。这些星系只存在于宇宙诞生后的前15亿年里，体积非常小，呈红色，且异常明亮。
芬克尔斯坦（Finkelstein）解释说：“小红点的发现让早期詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的数据大为震惊，因为它们看起来与哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）观测到的星系截然不同。现在，我们正在研究它们的样子以及它们的形成原因。”
CAPERS-LRD-z9或许能够帮助天文学家实现这一目标。
亮度、色彩与黑洞
首先，这一星系为“小红点”中异常亮度的来源是超大质量黑洞这一观点增添了更多证据。通常，这种亮度意味着星系中存在大量恒星。然而，“小红点”存在的时期却不大可能有如此多的恒星。
另一方面，黑洞也会发出耀眼的光芒。这是因为它们会压缩并加热所吞噬的物质，从而产生巨大的光和能量。天文学家通过确认CAPERS-LRD-z9中存在一个黑洞，在小红矮星中发现了这种联系的典型例子。
这一新发现的星系或许有助于解答小红斑特殊红色成因的问题。这可能是因为黑洞周围有一团浓密的气体云，光线穿过时会偏转至红色波长。“我们在其他星系中也见过这些云，”泰勒解释道，“我们将该天体与其他来源进行对比时，发现简直如出一辙。”
该星系之所以引人注意，还因为其黑洞十分巨大。据估计，该黑洞的质量是太阳的3亿倍，占其所在星系所有恒星质量总和的一半。即使在超大质量黑洞中，这也是非常大的。
如此早期地发现如此巨大的黑洞，为天文学家研究这些天体如何发展提供了宝贵的机会。宇宙后期存在的黑洞在其生命周期中会有多种机会增大质量。但是，在宇宙最初几亿年中存在的黑洞则不会有这样的机会。“这进一步证明，早期黑洞的增长速度远远快于我们之前认为的可能速度，”芬克尔斯坦说道，“或者它们的起始质量就远远超过了我们的模型预测。”
为了继续研究CAPERS-LRD-z9，该团队希望利用詹姆斯·韦伯太空望远镜收集更多更高分辨率的观测数据。这将有助于他们更深入地了解该星系以及黑洞在类地行星发展中扮演的角色。“这对我们来说是一个很好的测试对象，”泰勒说。“直到最近，我们才能够研究黑洞的早期演化，我们很兴奋能从这个独特的对象身上学到些什么。”
参考文献：《CAPERS-LRD-z9：一个包裹在气体中的小红斑，拥有红移z=9.288的宽线活动星系核》，作者：Anthony J. Taylor、Vasily Kokorev、Dale D. Kocevski、Hollis B. Akins、Fergus Cullen、Mark Dickinson、Steven L. Finkelstein、Pablo Arrabal Haro、Volker Bromm、Mauro Giavalisco、Kohei Inayoshi、Stéphanie Juneau、Gene C. K. Leung、Pablo G. Pérez-González、Rachel S. Somerville、Jonathan R. Trump、Ricardo O. Amorín、Guillermo Barro、Denis Burgarella、Madisyn Brooks、Adam C. Carnall、Caitlin M. Casey、Yingjie Cheng、John Chisholm、Katherine Chworowsky、Kelcey Davis、Callum T. Donnan、James S. Dunlop、Richard S. Ellis、Vital Fernández、Seiji Fujimoto、Norman A. Grogin、Ansh R. Gupta、Nimish P. Hathi、Intae Jung、Michaela Hirschmann、Jeyhan S. Kartaltepe、Anton M. Koekemoer、Rebecca L. Larson、Ho-Hin Leung、Mario Llerena、Ray A. Lucas、Derek J. McLeod、Ross McLure、Lorenzo Napolitano、Casey Papovich、Thomas M. Stanton、Roberta Tripodi、Xin Wang、Stephen M. Wilkins、L. Y. Aaron Yung和Jorge A. Zavala，发表于2025年8月6日，《天体物理学杂志快报》。DOI：10.3847/2041-8213/ade789
研究的其他数据来源于美国国家科学基金会天文台（NSF NOIRLab）基特峰国家天文台的暗能量光谱仪器（DESI）。
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