发现最古老的超大质量黑洞

北京大学吴学兵教授在《科学通报》发表文章，对最古老超大质量黑洞的发现过程及其科学意义进行了简要解读，并对今后相关研究进行了展望。

美国《科学新闻》杂志网站在2021年12月20日的报道中，梳理了2021年令人惊奇的6大科学纪录[1]，其中天文学家发现了迄今最古老的巨大黑洞（即红移为7.642的类星体J0313-1806中心质量为16亿倍太阳质量的黑洞）名列榜首（图1），这些新发现拓展了科学研究的极限和人类的想象力。本文将对这一发现迄今最古老巨大黑洞的研究过程及其科学意义进行简要解读，并对今后相关研究进行展望。

图1 拥有迄今发现的最古老黑洞的类星体J0313-1806示意图[1]。中心黑洞周围为明亮的吸积盘，并存在高速外流的风。来源：美国OIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

黑洞是宇宙中最神秘的天体，也是爱因斯坦广义相对论预言的产物。2019年4月，事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)国际合作团队公布了利用全球8个毫米波望远镜组成的干涉阵拍摄的近邻星系M87中心黑洞的首张照片，引起举世轰动[2,3]。2020年度诺贝尔物理学奖授予了从事黑洞形成理论研究和银河系中心黑洞观测研究的3名科学家[4]，再次展现了黑洞研究的重要科学价值。黑洞在宇宙中普遍存在，已成为科学界共识。那么，宇宙中最古老的黑洞年龄有多大？质量有多重？它又是如何形成的？天文学家在2021年1月发表的一项观测研究成果对这些问题给出了最新的答案[5]。

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破纪录的发现

最古老的黑洞是在宇宙诞生后不久就形成的。 由于大爆炸后的宇宙膨胀，最早形成的天体存在于离我们最遥远的宇宙，也就是早期宇宙中。 在如此遥远的距离上发现它们十分困难，但幸运的是有些古老的黑洞位于其周围有足够气体供给的类星体中心，这些类星体由于黑洞周围气体吸积盘内释放出的巨大能量而非常明亮 [6] ，以至于有些在地球上也能观测到。 搜寻这些宇宙中最遥远的类星体（也称高红移类星体，红移越大表明距离越远）就成为天文学家发现其中心最古老黑洞的重要手段。

著名华裔天文学家、美国亚利桑那大学樊晓晖教授领导的一个国际合作团队（包括北京大学的几位成员）一直从事发现最遥远高红移类星体的观测研究。 2015 年，以北京大学为主的团队成员发现了红移为 6.3 的宇宙早期发光最亮、中心黑洞质量最大（约 120 亿倍太阳质量）的类星体 J0100+280[7] 。 近年来，亚利桑那大学领导的团队开展了发现红移 7 以上（即宇宙大爆炸后 8 亿年之内）最遥远类星体的观测研究。 2020 年，他们曾发现一个红移为 7.52 、中心黑洞质量为 15 亿倍太阳质量的类星体 J1007+2125[8] ，该类星体离我们的距离仅次于欧洲科学家为主的团队在 2018 年发现的红移为 7.54 、中心黑洞质量为 8 亿倍太阳质量的类星体 J1342+0928[9] （亚利桑那大学部分成员也参与了这一发现）。

2021年1月20日，亚利桑那大学领导的团队在美国《天体物理学杂志快报》发表论文，报道发现了一个红移为7.64的类星体J0313-1806，刷新了已知宇宙中距离最远的高红移类星体新纪录[5]。团队利用智利的麦哲伦望远镜、双子座南天望远镜和美国夏威夷的双子座北天望远镜、凯克望远镜对J0313-1806进行了近红外波段的光谱观测，这些口径6.~10 m的大型地面望远镜多次观测叠加后的光谱如图2(b)所示。从中可见静止波长分别为1216和2798 Å的Lyα和MgII发射线已红移到观测波长约10500和24100 Å处，因此这一类星体的红移应在7.6以上。该类星体光谱中还在静止波长1350 Å附近存在很强的宽吸收线特征，显示有速度高达每秒数万公里的高速外流物质以风的形式从该类星体喷出。图2(a)的光学-红外波段图像也显示，在y、z的光学长波波段该类星体不可见，但在J、K近红外波段和W1、W2中红外波段则可被探测到，这都符合高红移类星体的典型观测特征。

图2 类星体J0313-1806的光学-红外波段图像(a)和近红外波段光谱(b)[5]。(b)图中深色和下面浅色曲线分别为进行过银河系消光改正后的该类星体光谱和误差。点虚线为拟合的连续谱。实心圆点是由J、K波段测光给出的流量值。左端最上面曲线是在静止波长下作为比较的红移为2的类星体合成谱。小图给出了对该类星体MgII发射线的光谱拟合

为精确确定这一最遥远类星体的红移并研究其宿主星系的特性，研究团队还利用智利的阿塔卡玛大型毫米波阵列望远镜(ALMA)对其进行了尘埃连续谱和一次电离碳［CII］发射线的观测，结果显示该类星体宿主星系拥有高达每年200多个太阳质量的恒星形成率，对观测结果的光谱拟合给出了其更精确的红移值为7.642。这一创纪录的类星体红移值显示该类星体存在于宇宙年龄为6.7亿年时，离我们距离约130亿光年，而其中心黑洞也是迄今为止发现的最古老的黑洞。它的年龄比先前的纪录保持者、红移为7.54的类星体J1342+0928还要早2000万年。按距离推算，其发光强度相当于太阳发光功率的36万亿倍。

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最古老黑洞的质量及其形成

利用图 2 光谱中探测到的 Mg II 发射线宽度（半高全宽 FWHM 为 3670 km/s ）和连续谱强度，研究团队基于一些普遍使用的经验关系估算出类星体 J0313-1806 的中心黑洞质量为 16 亿倍太阳质量，这比此前已知的最古老类星体 J1342+0928 的黑洞还要重两倍！ 在宇宙年龄只有 6.7 亿年时（相当于现在宇宙年龄的 5% ，现在宇宙年龄为 137 亿年），就存在质量为 16 亿倍太阳质量的黑洞，这非常让人吃惊。 这么重的黑洞又是如何在如此短时间内形成的？

对宇宙早期的黑洞形成，先前一种普遍接受的解释是，宇宙早期第一代恒星（也称星族III恒星）在其寿命结束时经过超新星爆发后形成种子黑洞[10]。这些黑洞随后通过长时间地合并和吸积周围物质，逐渐成长为超大质量黑洞。但第一代恒星的质量只有约1000倍太阳质量，只能形成几百倍太阳质量重的种子黑洞（图3最下面阴影区域），它们在宇宙仅仅几亿年的时间内是无法成长到16亿倍太阳质量的！另一种基于致密恒星星团内大质量恒星塌缩的黑洞形成理论预言也只能形成几千倍太阳质量的种子黑洞[11]（图3中间阴影区域），同样无法解释16亿倍太阳质量黑洞的形成。目前看来，早期宇宙中这类超大质量黑洞很可能是通过其他方式形成的，比如很可能是大量原始的冷氢气直接坍缩成一个几万甚至几十万倍太阳质量的种子黑洞[12]（图3最上面阴影区域），然后再通过最高效地吸积周围物质迅速增长其质量（图3红线所示），这样才可能解释类星体J0313-1806中16亿倍太阳质量的最古老黑洞的形成。其实早在2015年，北京大学领导的团队所发现的红移为6.3的宇宙早期发光最亮的类星体J0100+2802中心就存在重约120亿倍太阳质量的黑洞[7]，已对当时的黑洞形成理论构成了挑战。新发现的红移为7.642的类星体J0313-1806在更远的距离上，其最古老的黑洞成长的时间更短，如果其16亿倍太阳质量的黑洞通过最高效地吸积物质增长质量，到红移6.3时其质量将超过120亿倍太阳质量，因此它给目前的宇宙早期超大质量黑洞形成理论带来了更大的挑战。这些发现意味着基于第一代恒星演化的传统黑洞形成理论无法解释宇宙年龄很小时质量非常大的这类黑洞的形成，而巨大冷氢气云直接坍缩形成更大质量种子黑洞的理论模型可能提供更好的解释[13]。

图3 宇宙早期红移为7以上类星体的黑洞质量和其最快速的质量增长过程[5]。最上面的线表示的是红移最大类星体J0313-1806中心最古老黑洞的质量增长过程，要求其种子黑洞质量在红移30时必须在10000倍太阳质量以上。图中三种理论模型中，只有冷氢气直接坍缩黑洞模型(DCBH)能够满足

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展望

亚利桑那大学领导的团队所发现的红移为 7.642 、拥有最古老的超大质量黑洞的类星体 J0313-1806 是已知最遥远的类星体，它不仅对我们理解最早的黑洞如何形成非常重要，而且对理解宇宙年龄在几亿年时的宇宙再电离阶段（红移 12~6 ）的物理性质也是至关重要的。 宇宙再电离是我们宇宙的最后一个主要相变阶段，而明亮的高红移类星体是为数不多的能够用来示踪并研究宇宙再电离的天体之一。 目前通过红移 7 以上的几个类星体的光谱测量给出当时宇宙中性氢的比例在 0.2 以上，比红移 6 处类星体光谱测量给出的 10-4 以上的中性氢比例高很多，显示出宇宙再电离时期中性氢比例随红移的快速演化 [8] 。 对最高红移类星体 J0313-1806 更详细的光谱测量正在进行中，希望不久能给出其中性氢比例的准确测量结果。

光谱分析还显示类星体 J0313-1806 存在以高速风的形式快速流出的物质，风速高达光速的 20% 。 这种极端高速外流释放的能量足以影响整个类星体宿主星系的恒星形成，这是已知的宇宙中类星体影响其宿主星系成长的最早例子，也使得类星体 J0313-1806 成为未来大型地面和空间天文望远镜观测的一个非常重要的目标。

此外， J0313-1806 的宿主星系正经历着快速的恒星形成，产生新恒星的速度比银河系快 200 多倍。 拥有强烈的恒星形成、巨大的发光强度和高速的外流等特征，使得类星体 J0313-1806 成为了解早期宇宙中超大质量黑洞及其宿主星系成长的最有希望的一个自然实验室。 未来对它的深入观测除了可以直接研究宇宙中最早的超大质量黑洞如何形成之外，还将让我们更多地了解类星体高速外流对其宿主星系的影响以及早期宇宙中最庞大的星系是如何形成和演化的。

2021年12月25日，期待已久的詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)终于发射成功，奔向日地系统的第二拉格朗日点。韦布望远镜将在光学和红外波段对最遥远的宇宙开展最激动人心的观测。发现最古老黑洞的亚利桑那大学领导的团队经批准已获得韦布望远镜约200小时的观测时间，将对宇宙再电离时期的类星体和超大质量黑洞开展红外图像和光谱观测，有望取得再破世界纪录的科学发现，为我们揭示宇宙早期黑洞成长和星系形成与演化的更多奥秘。

推荐阅读文献

[1] Engelhaupt E. 6 surprising records science set in 2021. Science News, 2021-12-20, https://www.sciencenews.org/article/surprising-science-recordssuperlatives-2021

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[5] Wang F, Yang J, Fan X, et al. A luminous quasar at redshift 7.642. Astrophys J Lett, 2021, 907: L1

[6] 左文文, 吴学兵. 类星体的能量之谜. 科学通报, 2016, 61: 1157–1163

[7] Wu X B, Wang F, Fan X, et al. An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30. Nature, 2015, 518: 512–515

[8] Yang J, Wang F, Fan X, et al. Pōniuāena: A luminous z = 7.5 quasar hosting a 1.5 billion solar mass black hole. Astrophys J, 2020, 897: L14

[9] Bañados E, Venemans B P, Mazzucchelli C, et al. An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral universe at a redshift of 7.5. Nature, 2018, 553: 473–476

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[13] Inayoshi K, Visbal E, Haiman Z. The assembly of the first massive black holes. Annu Rev Astron Astrophys, 2020, 58: 27–97

吴学兵北京大学物理学院天文学系主任、科维理天文与天体物理研究所副所长，中国天文学会副理事长。研究领域包括类星体与活动星系核、黑洞天体物理、观测宇宙学等。

原文信息:

吴学兵. 发现最古老的超大质量黑洞. 科学通报, 2022, 67(22): 2605–2609, doi: 10.1360/TB-2022-0082（"阅读原文"直达）

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