观测结果表明，一些最早的“怪物”黑洞是从巨大的宇宙种子中生长出来的。
麻省理工学院的天文学家已经观测到宇宙中一些最早的类星体周围难以捉摸的星光。这些遥远的信号可以追溯到130多亿年前宇宙的婴儿期，为我们揭示第一批黑洞和星系是如何演化的提供了线索。
类星体是活跃星系的炽热中心，其核心有一个永不满足的超大质量黑洞。大多数星系的中心都有一个黑洞，这个黑洞偶尔会吞噬气体和恒星碎片，当物质向黑洞旋转时，它会以发光环的形式产生短暂的光爆发。
相比之下，类星体可以在更长的时间内消耗大量的物质，产生一个极其明亮和持久的环 —— 如此明亮，事实上，类星体是宇宙中最明亮的物体之一。
因为它们非常明亮，类星体比它们所在星系的其他部分都要亮。但麻省理工学院的研究小组首次能够观察到来自三个古老类星体宿主星系的恒星发出的微弱得多的光。
根据这种难以捉摸的恒星光，研究人员估计了每个宿主星系的质量，并将其与中心超大质量黑洞的质量进行了比较。他们发现，与现代类星体相比，这些类星体的中心黑洞相对于它们的宿主星系要大得多。
今天发表在《天体物理学杂志》上的这一发现，可能会揭示最早的超大质量黑洞是如何在相对较短的宇宙时间内成长为如此巨大的。特别是，那些最早的怪物黑洞可能比现代黑洞从更大的“种子”中萌芽。
该研究的作者、麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的博士后岳明浩（音译）说：“宇宙形成后，有一些种子黑洞，然后它们消耗了物质，并在很短的时间内成长起来。其中一个重要的问题是，理解这些怪物黑洞是如何长得如此之大、如此之快的。”
“这些黑洞的质量是太阳的数十亿倍，而此时宇宙还处于婴儿期，”研究作者、麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·埃勒斯说。“我们的研究结果表明，在早期宇宙中，超大质量黑洞可能比它们的宿主星系更早获得质量，最初的黑洞种子可能比现在更大。”
安娜-克里斯蒂娜·埃勒斯和岳明浩的合著者包括：麻省理工学院Kavli主任罗伯特·锡姆科（Robert Simcoe），麻省理工学院哈勃研究员和博士后罗汉·奈杜（Rohan Naidu），以及瑞士，奥地利，日本和北卡罗来纳州立大学的合作者。
令人眼花缭乱的核心
自从天文学家在20世纪60年代首次发现类星体以来，类星体的极端亮度就已经很明显了。他们当时假设，类星体的光来自一个单一的、类似恒星的“点源”。科学家将这些天体命名为“类星体”，这是“准恒星”天体的合成词。自从第一次观测以来，科学家们已经意识到类星体实际上不是恒星的起源，而是来自位于星系中心的强大而持久的超大质量黑洞的吸积，这些黑洞也有恒星，与它们耀眼的核心相比，这些恒星要暗淡得多。
将类星体中心黑洞发出的光，与宿主星系的恒星发出的光分开是极具挑战性的。这项任务有点像在一个巨大的中央探照灯周围识别一群萤火虫。但近年来，随着美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的发射，天文学家有了更好的机会来做到这一点，它已经能够观察到更久远的时间，并且比任何现有的天文台都具有更高的灵敏度和分辨率。
在他们的新研究中，埃勒斯和岳明浩利用JWST上的专门时间，从2022年秋天到次年春天，间歇性地观察了六个已知的古老类星体。总的来说，该团队收集了对六个遥远天体的120多个小时的观察结果。
“这颗类星体比它的宿主星系亮了几个数量级。先前的图像不够清晰，无法区分宿主星系及其所有恒星的样子，”岳明浩说。“现在，我们第一次能够通过非常仔细地模拟JWST对这些类星体的更清晰的图像，来揭示这些恒星的光线。”
光平衡
研究小组对JWST收集的6个遥远类星体的成像数据进行了评估，他们估计这些类星体大约有130亿年的历史。这些数据包括对每个类星体不同波长光的测量。研究人员将这些数据输入到一个模型中，计算有多少光可能来自紧凑的“点源”，比如中央黑洞的吸积盘，而有多少光可能来自更分散的光源，比如来自宿主星系周围分散的恒星的光。
通过这个模型，研究小组将每个类星体的光分成两个部分：来自中央黑洞发光盘的光和来自宿主星系更分散的恒星的光。来自两个光源的光量是它们总质量的反射。研究人员估计，对于这些类星体，中心黑洞的质量与宿主星系的质量之比约为1:10。他们意识到，这与今天1:10 00的质量平衡形成了鲜明对比，在今天的质量平衡中，新形成的黑洞比它们的宿主星系要小得多。
“这告诉我们什么最先生长：是黑洞先生长，然后星系才会赶上吗？或者，是星系和它的恒星首先生长，然后它们主导和调节黑洞的生长？”埃勒斯解释道。“我们看到，早期宇宙中的黑洞似乎比它们的宿主星系增长得更快。这是初步的证据，表明最初的黑洞种子可能比当时更大。”
岳明浩补充说：“在最初的10亿年里，一定有某种机制使黑洞比宿主星系更早地获得质量。这是我们看到的第一个证据，这很令人兴奋。”
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