类星体是星系的极其明亮的核心，中心有一个活跃的超大质量黑洞。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。类星体早在宇宙大爆炸后几亿年时就被观测到，但这些天体是如何在如此短的宇宙时间内变得如此明亮和巨大的，一直是一个谜。
科学家们提出，最早的类星体可能起源于原始物质的过度密集区域，这些区域同时会在类星体的环境中产生许多较小的星系。但在 MIT 主导的一项新研究中，天文学家观测到了一些古老的类星体，它们在早期宇宙中显得出人意料地孤立。
天文学家使用 NASA 的詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST），回溯了 130 多亿年的时间，研究了五个已知古老类星体的宇宙环境。他们发现这些类星体周围的环境有着令人惊讶的多样性，或称为“类星体场”。一些类星体位于非常拥挤的区域，周围有超过 50 个星系，这与所有模型的预测一致；但另外一些类星体似乎漂浮在空旷的区域，附近只有少量星系。
这些孤独的类星体对物理学家提出了挑战，困惑于这些如此明亮的天体在宇宙早期如何形成，因为它们周围缺乏足够的物质来为其黑洞的成长提供燃料。
MIT 物理学助理教授 Anna-Christina Eilers 表示：“与之前的认知不同，我们发现这些类星体平均来说并不一定位于早期宇宙中密度最高的区域。其中一些似乎坐落在什么都没有的地方。如果它们周围没有足够的物质，很难解释它们是如何长得如此巨大的。”
一种可能性是，这些类星体并非如它们看起来那样孤立，而是被厚重的尘埃遮盖，致使周围的星系无法被观测到。Eilers 和她的同事希望通过调整观测方式，试图穿透这些可能存在的宇宙尘埃，以更好地理解类星体在宇宙早期是如何如此快速成长的。
Eilers 和她的同事在今天发表于《天体物理学杂志》上的论文中报告了他们的研究结果。MIT 的合著者包括博士后 Rohan Naidu 和 Minghao Yue，MIT 物理学教授兼 MIT 卡弗里天体物理与空间研究所所长 Robert Simcoe，以及来自莱顿大学、加州大学圣芭芭拉分校、苏黎世联邦理工学院等机构的合作者。
星系邻居
这五个新观测到的类星体是迄今为止观测到的最古老的类星体之一，超过 130 亿年的历史。它们被认为形成于大爆炸后 6 至 7 亿年之间。驱动这些类星体的超大质量黑洞的质量是太阳的十亿倍，亮度超过一万亿倍。由于它们极其明亮的光线，每个类星体的光能够跨越宇宙的时间，传递到如今 JWST 的高灵敏度探测器上。
Eilers 表示：“令人震撼的是，我们现在有一台能够以如此细节捕捉 130 亿年前光线的望远镜。第一次，JWST 使我们能够观察这些类星体的环境，它们是在哪里成长的，以及它们的周围是什么样的。”
研究团队分析了 JWST 在 2022 年 8 月至 2023 年 6 月期间拍摄的这五个古老类星体的图像。每个类星体的观测都包含多个“马赛克”图像，即类星体场的部分视图，团队将这些视图拼接在一起，绘制出了每个类星体周围环境的完整图像。
望远镜还对每个类星体场中的多种波长光进行了测量，团队通过处理这些数据，来确定场中的某个天体是否来自邻近星系的光线，以及这些星系与中心明亮类星体之间的距离。
Eilers 说：“我们发现这五个类星体之间唯一的差异是它们的环境差异极大。例如，一个类星体周围有近 50 个星系，而另一个只有两个。这两个类星体的大小、体积、亮度和宇宙的时间点都是相同的。看到这一点真的让人感到意外。”
快速成长
类星体场的差异给黑洞成长和星系形成的标准模型带来了新的挑战。根据物理学家对宇宙中第一批天体如何出现的理解，暗物质的宇宙网应当在这一过程中发挥关键作用。暗物质是一种尚未探明的物质，除了通过引力与周围环境发生相互作用外，它没有其他互动。
大爆炸后不久，早期宇宙被认为形成了由暗物质组成的纤维网络，这些网络像引力公路一样，吸引气体和尘埃沿着它的触须汇聚。在这些网络的高密度区域，物质积聚形成了更大质量的天体。而最亮、最庞大的早期天体，如类星体，应该在网络的高密度区域形成，同时也会产生更多的小型星系。
莱顿大学的研究生 Elia Pizzati 表示：“暗物质的宇宙网是我们宇宙学模型中的一个稳固预测，并且可以通过数值模拟进行详细描述。通过将我们的观测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，类星体必须以极高的吸积率持续增长，才能在大爆炸后不到 10 亿年的时间内达到如此巨大的质量和亮度。
Eilers 表示：“我们想要回答的主要问题是，这些拥有数十亿太阳质量的黑洞，是如何在宇宙仍然非常非常年轻时形成的？那个时候，宇宙还处于婴儿期。”
研究团队的发现可能引发更多问题。这些“孤独”的类星体似乎位于相对空旷的区域。如果物理学家的宇宙学模型是正确的，那么这些荒芜区域意味着几乎没有暗物质，也没有足够的起始材料来孕育恒星和星系。那么，这些极其明亮和巨大的类星体又是如何诞生的呢？
Eilers 说：“我们的结果表明，我们仍然缺少关于这些超大质量黑洞如何成长的重要线索。如果有些类星体周围的物质不足以让它们持续增长，那么这意味着它们可能通过其他我们尚未发现的方式来成长。”
这项研究得到了欧洲研究委员会的部分资助。
https://news.mit.edu/2024/astronomers-detect-ancient-lonely-quasars-murky-origins-1017
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