宇宙刚诞生之际这些巨型黑洞就已出现

类星体释放出异常巨大的能量，这些能量由落入超大质量黑洞的物质产生。图片来源：美国国家航空航天局、欧洲空间局及J.Olmsted（空间望远镜科学研究所）

31个新发现的古老类星体正让科学家们得以最清晰地观测宇宙中最早的巨型黑洞。

类星体是宇宙中最明亮的天体之一，它们依靠超大质量黑洞吞噬大量物质产生的能量发光。有些类星体亮度极高，甚至超过整个星系，这使得天文学家能够观测到它们，跨越超过130亿年的宇宙历史。

如今，一个国际科学家团队发现了31个迄今已知最古老的类星体，其中包括两个已知最早的例子。这些非凡的天体在宇宙仅约6.7亿岁时就已经发出相当于一万亿颗太阳的光芒。这项发表在《天文学与天体物理学》上的发现，为我们提供了迄今为止对宇宙最早篇章最清晰的视角之一，并引发了关于大爆炸后巨型黑洞如何如此迅速形成的新问题。

合著者约瑟夫亨纳维说：这些天体为理解超大质量黑洞的形成提供了最佳线索。亨纳维是加州大学圣巴巴拉分校和莱顿大学的联合任命物理学教授。这些‘怪物’——质量是太阳的数十亿倍——在宇宙处于早期阶段时就已存在。我们目前还不清楚它们是如何如此迅速地变得如此巨大的。

搜寻宇宙中最早期的类星体

天文学家们花费了数十年时间寻找首批类星体，因为它们为我们提供了难得的机会，让我们得以窥见星系的黎明和超大质量黑洞的诞生。

但是找到它们极其困难。在大爆炸后不到约7.7亿年就存在的类星体极为罕见，因为当时只有少数星系已经成长到足够大的规模来产生它们。即使它们存在，其微弱的光线也很容易被误认为是离地球近得多的恒星。

宇宙本身带来了另一个挑战。随着空间膨胀，来自这些古老天体的光从紫外线被拉伸到近红外波长，这种效应被称为红移。不幸的是，这些波长与地球大气的自然红外辉光重叠，使得从地面望远镜探测微弱的类星体变得极其困难。天文学家利用红移来估计天体的距离以及它在宇宙历史中出现的时间有多早。

亨纳维说：红移值为7的观测能让我们了解宇宙仅7.5亿岁时的状态，这还不到它当前年龄的6%。

莱顿大学Hennawi团队的博士生、第一作者杨大明表示：这两个因素使得在这些距离上寻找类星体变得异常困难。在成像巡天中，每一个类星体都对应着银河系和附近星系中数千颗外观几乎相同的恒星。而且，由于它们的光在如此遥远的距离上会被拉伸到红外波段，我们需要一个既足够广阔以捕捉这些稀有天体、又足够深邃以探测其微弱光线的巡天项目。

从地面上看，这项搜索几乎是不可能的。科学家们需要一台位于地球大气层之上的望远镜。

欧几里得正在改变对古老类星体的搜索

欧洲空间局已发射欧几里得空间望远镜，旨在探索宇宙历史中最不为人知的时期之一。该望远镜在地球红外遮蔽层之上运行，能够探测到地面天文台难以轻易观测到的、横跨大片天空的暗弱天体。

利用欧几里得广域巡天的数据，研究人员发现了前所未有的31个古老类星体，这些类星体可追溯到宇宙仅为当前年龄约5%的时期。当该巡天项目完成时，它将绘制出超过整个天空三分之一的区域。

过去，天文学家仅发现了少量异常明亮的早期类星体。这使得人们难以了解这类古老天体的整体群体是什么样的。

Euclid是真正的改变游戏规则的工具，大明说。以前，我们只能找到少数最亮的古老类星体，但Euclid让我们能够更高效地在广阔的天空区域搜索，捕捉更微弱的光线。它是寻找类星体的独特工具。

婴儿宇宙中的巨型黑洞

研究人员已经仔细观察了新样本中第二古老的类星体。他们发现它位于一个充满尘埃和气体、正在经历剧烈恒星形成的星系中，为了解最早的超大质量黑洞的家园可能是什么样子提供了难得的视角。

这些类星体来自再电离时代，这是一个关键时期，当时第一批恒星和星系通过电离大爆炸后充满空间的中性氢改变了宇宙。这个时期为我们今天看到的宇宙奠定了基础。

在新发现的31个类星体中，有14个的红移值达到7或更高。其中两个最古老的类星体红移值分别为7.69和7.77，是迄今为止观测到的最早的类星体。它们的光已经传播了130多亿年，揭示了它们在宇宙形成最初6.7亿年时的样子。它们还打破了此前由亨纳维团队创下的距离纪录。

记录本身只是故事的一部分。

每往回追溯一步时间，这个谜题就变得更加令人困惑：宇宙是如何如此迅速地产生超大质量黑洞的？亨纳维说，我们发现了质量达太阳数亿倍的黑洞，而当时宇宙才刚刚开始形成。

回顾更久远的时光

望远镜技术和数据分析的进步正迅速推动天文学更深入地探索宇宙的过去。最初发现10个左右红移7或以上的类星体花了十多年时间，而欧几里得望远镜在较短时间内就发现了比这更多的数量，使这些异常古老天体的已知数量增加了一倍多。

机器学习已经变得和新型望远镜一样重要。先进的算法能够筛选数千万个天文源，从无数外观几乎相同的恒星中识别出少数真正的类星体。

亨纳维的团队花了数年时间开发这些发现背后的软件。他还领导开发了PypeIt，这是加州大学天文学家使用的、用于处理凯克望远镜数据的软件。由于该校对凯克望远镜的优先访问权，新发现的类星体中有三分之二（包括三个最遥远的）是在那里得到确认的。

团队的下一个里程碑是发现首个红移超过8的类星体，这将揭示宇宙诞生最初6.3亿年内的天体。

这些发现仅仅是开始。已获批的詹姆斯韦布空间望远镜观测项目将测量这些黑洞的质量，研究其周围的气体，并利用它们的光线追踪再电离过程是如何展开的。与此同时，阿塔卡马大型毫米波阵列将研究其宿主星系内部的尘埃、气体和恒星形成。

更大的愿景是将所有这些整合到一个连贯的时间线中，亨纳维说：一份关于最初十亿年的类星体编年史。

《在6.6

欧几里得联盟的杨大明、安托万巴塞特和让夏尔库扬德为这篇报道做出了贡献。

相关知识

宇宙是包含所有时间、空间及其中物质与能量的整体，由无数星系、恒星、行星、星云等构成，目前可观测范围约930亿光年。据大爆炸理论推测，它约138亿年前诞生，至今仍在膨胀，暗物质、暗能量等未知奥秘仍待人类探索。

BY: Harrison Tasoff, University of California - Santa Barbara

FY: AI

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