類星體是星系的極其明亮的核心，中心有一個活躍的超大品質黑洞。當黑洞吸引周圍的瓦斯和塵埃時，會釋放出巨大的能量，使類星體成為宇宙中最明亮的天體之一。類星體早在宇宙大霹靂後幾億年時就被觀測到，但這些天體是如何在如此短的宇宙時間內變得如此明亮和巨大的，一直是一個謎。
科學家們提出，最早的類星體可能起源於原始物質的過度密集區域，這些區域同時會在類星體的環境中產生許多較小的星系。但在 MIT 主導的一項新研究中，天文學家觀測到了一些古老的類星體，它們在早期宇宙中顯得出人意料地孤立。
天文學家使用 NASA 的詹姆士·韋布太空望遠鏡（JWST），回溯了 130 多億年的時間，研究了五個已知古老類星體的宇宙環境。他們發現這些類星體周圍的環境有著令人驚訝的多樣性，或稱為「類星體場」。一些類星體位於非常擁擠的區域，周圍有超過 50 個星系，這與所有模型的預測一致；但另外一些類星體似乎漂浮在空曠的區域，附近只有少量星系。
這些孤獨的類星體對物理學家提出了挑戰，困惑於這些如此明亮的天體在宇宙早期如何形成，因為它們周圍缺乏足夠的物質來為其黑洞的成長提供燃料。
MIT 物理學助理教授 Anna-Christina Eilers 表示：「與之前的認知不同，我們發現這些類星體平均來說並不一定位於早期宇宙中密度最高的區域。其中一些似乎坐落在什麽都沒有的地方。如果它們周圍沒有足夠的物質，很難解釋它們是如何長得如此巨大的。」
一種可能性是，這些類星體並非如它們看起來那樣孤立，而是被厚重的塵埃遮蓋，致使周圍的星系無法被觀測到。Eilers 和她的同事希望透過調整觀測方式，試圖穿透這些可能存在的宇宙塵埃，以更好地理解類星體在宇宙早期是如何如此快速成長的。
Eilers 和她的同事在今天發表於【天體物理學雜誌】上的論文中報告了他們的研究結果。MIT 的合著者包括博士後 Rohan Naidu 和 Minghao Yue，MIT 物理學教授兼 MIT 卡弗裏天體物理與空間研究所所長 Robert Simcoe，以及來自萊頓大學、加州大學聖芭芭拉分校、蘇黎世聯邦理工學院等機構的合作者。
星系鄰居
這五個新觀測到的類星體是迄今為止觀測到的最古老的類星體之一，超過 130 億年的歷史。它們被認為形成於大霹靂後 6 至 7 億年之間。驅動這些類星體的超大品質黑洞的品質是太陽的十億倍，亮度超過一萬億倍。由於它們極其明亮的光線，每個類星體的光能夠跨越宇宙的時間，傳遞到如今 JWST 的高靈敏度探測器上。
Eilers 表示：「令人震撼的是，我們現在有一台能夠以如此細節捕捉 130 億年前光線的望遠鏡。第一次，JWST 使我們能夠觀察這些類星體的環境，它們是在哪裏成長的，以及它們的周圍是什麽樣的。」
研究團隊分析了 JWST 在 2022 年 8 月至 2023 年 6 月期間拍攝的這五個古老類星體的影像。每個類星體的觀測都包含多個「馬賽克」影像，即類星體場的部份檢視，團隊將這些檢視拼接在一起，繪制出了每個類星體周圍環境的完整影像。
望遠鏡還對每個類星體場中的多種波長光進行了測量，團隊透過處理這些數據，來確定場中的某個天體是否來自鄰近星系的光線，以及這些星系與中心明亮類星體之間的距離。
Eilers 說：「我們發現這五個類星體之間唯一的差異是它們的環境差異極大。例如，一個類星體周圍有近 50 個星系，而另一個只有兩個。這兩個類星體的大小、體積、亮度和宇宙的時間點都是相同的。看到這一點真的讓人感到意外。」
快速成長
類星體場的差異給黑洞成長和星系形成的標準模型帶來了新的挑戰。根據物理學家對宇宙中第一批天體如何出現的理解，暗物質的宇宙網應當在這一過程中發揮關鍵作用。暗物質是一種尚未探明的物質，除了透過重力與周圍環境發生交互作用外，它沒有其他互動。
大霹靂後不久，早期宇宙被認為形成了由暗物質組成的纖維網路，這些網路像重力公路一樣，吸引瓦斯和塵埃沿著它的觸須匯聚。在這些網路的高密度區域，物質積聚形成了更大品質的天體。而最亮、最龐大的早期天體，如類星體，應該在網路的高密度區域形成，同時也會產生更多的小型星系。
萊頓大學的研究生 Elia Pizzati 表示：「暗物質的宇宙網是我們宇宙學模型中的一個穩固預測，並且可以透過數值模擬進行詳細描述。透過將我們的觀測與這些模擬進行比較，我們可以確定類星體在宇宙網中的位置。」
科學家估計，類星體必須以極高的吸積率持續增長，才能在大霹靂後不到 10 億年的時間內達到如此巨大的品質和亮度。
Eilers 表示：「我們想要回答的主要問題是，這些擁有數十億太陽品質的黑洞，是如何在宇宙仍然非常非常年輕時形成的？那個時候，宇宙還處於嬰兒期。」
研究團隊的發現可能引發更多問題。這些「孤獨」的類星體似乎位於相對空曠的區域。如果物理學家的宇宙學模型是正確的，那麽這些荒蕪區域意味著幾乎沒有暗物質，也沒有足夠的起始材料來孕育恒星和星系。那麽，這些極其明亮和巨大的類星體又是如何誕生的呢？
Eilers 說：「我們的結果表明，我們仍然缺少關於這些超大品質黑洞如何成長的重要線索。如果有些類星體周圍的物質不足以讓它們持續增長，那麽這意味著它們可能透過其他我們尚未發現的方式來成長。」
這項研究得到了歐洲研究委員會的部份資助。
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