这张由NASA的詹姆斯·韦伯空间望远镜拍摄的图像显示了一个古老的类星体（红圈内），其附近星系的数量比预期的要少。这一发现挑战了物理学家对早期类星体和超大质量黑洞形成的理解。图像来源：Christina Eilers/EIGER团队
天文学家利用詹姆斯·韦伯空间望远镜探测到了一些起源不明、处于孤立状态的古老类星体。它们似乎没有多少宇宙邻居，这使人们对它们在130多亿年前如何形成产生了疑问。
类星体是星系中心极其明亮的区域，由超大质量黑洞提供能量。当黑洞吸引周围的气体和尘埃时，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。类星体可以追溯到大爆炸后数亿年的早期宇宙，但它们如何在如此短暂的时间内变得如此巨大和明亮仍是个谜。
科学家认为，最早的类星体可能形成于早期宇宙中极为密集的原始物质区域，而这种环境也可能催生了附近的其他小星系。然而，麻省理工学院（MIT）领导的一项最新研究表明，一些古老的类星体似乎处于孤立状态，并没有在早期宇宙中预期的高密度星系环境中出现。
使用詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测
天文学家借助NASA的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），穿越时空，回溯了130多亿年前的宇宙，研究了五个已知古老类星体的周边环境。他们发现这些类星体所在的“类星体场”存在显著的多样性：有些类星体周围的环境非常拥挤，邻近的星系超过50个，符合所有模型的预测；而另一些类星体似乎漂浮在虚空中，只有少数星系存在。
这些孤立的类星体挑战了物理学家对如此明亮天体在宇宙早期形成机制的理解，因为它们的黑洞增长似乎缺乏足够的周围物质来支撑。
类星体是遥远星系中心的强烈发光区域，由吞噬气体和尘埃的超大质量黑洞提供能量，释放出巨大的能量。这些天体是宇宙中最亮的存在之一，跨越数十亿光年都能被观察到。图像来源：NASA，ESA，CSA，Joseph Olmsted（STScI）
古老类星体的孤立性
“与之前的认知相反，我们发现这些类星体平均而言并非处于早期宇宙的最高密度区域。其中一些似乎身处‘无所归属’的环境中，”MIT物理学助理教授Anna-Christina Eilers说。“如果这些类星体没有可供摄取的物质，很难解释它们为何能增长到如此规模。”
这些类星体可能并不像表面看上去那么孤立，它们周围可能被尘埃所遮蔽，因此无法观测到。Eilers及其团队希望能够进一步优化观测手段，透过这些尘埃，揭示这些类星体在早期宇宙中如何如此快速地成长。
Eilers和她的同事在《天体物理学杂志》10月17日发表的论文中报告了他们的发现。MIT的合著者包括博士后研究员Rohan Naidu和Minghao Yue；弗朗西斯·弗里德曼物理学教授、MIT卡弗利天体物理与空间研究所所长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等机构的合作者。
深空新发现
此次观察到的五个类星体是迄今为止发现的最古老的类星体之一，已超过130亿年历史。研究认为，这些类星体形成于大爆炸后约6至7亿年。驱动这些类星体的超大质量黑洞质量达太阳的十亿倍，其亮度则超过万亿倍太阳。由于它们的极端亮度，类星体的光能穿越宇宙的时间尺度，得以抵达韦伯望远镜的高灵敏度探测器。
“如今我们拥有一台能够如此详细地捕捉130亿年前光芒的望远镜，这实在令人惊叹，”Eilers说。“韦伯望远镜首次让我们得以观测这些类星体的周边环境，了解它们的‘成长’环境。”
类星体环境的多样性
研究团队分析了韦伯望远镜在2022年8月至2023年6月拍摄的五个古老类星体的图像。每个类星体的观测图像由多幅“拼接”图像组成，团队将这些部分图像拼合，获得类星体周围完整的环境图。
望远镜还测量了每个类星体场中多种波长的光线，团队据此确定类星体场中的光源是否为邻近星系，并测量星系到类星体的距离。
“我们发现，这五个类星体的唯一差异在于其周边环境的不同，”Eilers表示。“比如，一个类星体周围有将近50个星系，而另一个仅有两个。然而，这些类星体在大小、亮度、宇宙时间等方面却完全相同。这一发现令人惊讶。”
挑战标准模型
类星体场的差异为黑洞增长和星系形成的标准模型带来了挑战。根据物理学家对宇宙早期结构的最佳理解，暗物质构成的“宇宙网”应该奠定了其演化轨迹。暗物质是一种尚未被完全理解的物质，只通过引力与周围环境相互作用。
大爆炸后不久，宇宙早期被认为形成了由暗物质构成的丝状结构，这些结构如同引力道路，吸引气体和尘埃沿其延伸。在这些网格中过于密集的区域，物质聚集形成更大质量的天体。最亮、最庞大的早期天体，如类星体，应该诞生在这些高密度区域，并伴随更多小型星系的产生。
“宇宙网暗物质是我们宇宙学模型的坚实预测，我们可以利用数值模拟详细描述它，”莱顿大学研究生、合著者Elia Pizzati说。“通过将观测数据与模拟对比，我们可以确定类星体在宇宙网中的位置。”
科学家估计，为了在大爆炸后不到10亿年内达到极高的质量和亮度，类星体必须以极高的吸积率持续增长。
孤立类星体的启示
“我们试图解答的核心问题是，当宇宙还极其年轻、甚至处于‘婴儿期’时，这些具有十亿太阳质量的黑洞如何形成？”Eilers表示。
这一发现可能引发更多的问题。这些“孤独”的类星体似乎生活在相对空旷的空间区域。如果物理学的宇宙学模型是正确的，那么这些稀疏区域表明缺乏足够的暗物质，无法为恒星和星系的形成提供足够的“原材料”。那么，这些极其明亮、巨大的类星体究竟是如何诞生的呢？
“我们的结果显示，对于这些超大质量黑洞如何成长，我们仍缺少关键的拼图，”Eilers说。“如果没有足够的物质供给一些类星体持续增长，那就意味着它们的成长可能还有其他我们尚未发现的方式。”