导读 詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到了一个处于宇宙特别年轻阶段的星系。回顾过去，很明显，来自这个名为J1120+0641的星系的光到达地球所花的时间...

詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到了一个处于宇宙特别年轻阶段的星系。回顾过去，很明显，来自这个名为J1120+0641的星系的光到达地球所花的时间几乎与宇宙发展到今天所花的时间一样长。独立测量显示，当时其中心的黑洞重量超过10亿个太阳质量，这令人费解。研究结果发表在《自然天文学》杂志上。

最近对黑洞附近物质的观察本应揭示一种特别有效的进食机制，但他们没有发现任何特别之处。这个结果更加不同寻常：它可能意味着天体物理学家对星系发展的了解比他们想象的要少。然而，他们绝不会失望。

宇宙历史的最初十亿年提出了一个挑战：已知最早的星系中心黑洞质量惊人地大。它们是如何如此迅速地变得如此巨大的?本文描述的新观测结果为一些提出的解释提供了强有力的证据，尤其是对最早黑洞的“超有效进食模式”提出了反驳。

超大质量黑洞增长的极限

在过去138亿年(宇宙的生命周期)中，恒星和星系发生了巨大的变化。星系通过消耗周围的气体或(偶尔)相互合并而变得更大并获得更多质量。长期以来，天文学家认为星系中心的超大质量黑洞会随着星系本身逐渐增长。

但黑洞的增长速度不能任意快。落入黑洞的物质会形成一个旋转的、炽热的、明亮的“吸积盘”。当这种情况发生在超大质量黑洞周围时，就会形成一个活跃的星系核。最亮的类星体是整个宇宙中最亮的天体之一。但这种亮度限制了落入黑洞的物质数量：光会施加压力，从而阻止更多物质落入。

黑洞是如何如此快速地变得如此巨大?

这就是为什么天文学家们感到惊讶，因为在过去二十年中，对遥远类星体的观测发现了非常年轻的黑洞，但其质量却高达100亿个太阳质量。光从遥远的物体传播到我们这里需要时间，因此观察遥远的物体意味着观察遥远的过去。我们看到的最遥远的类星体处于被称为“宇宙黎明”的时代，即大爆炸后不到10亿年，当时第一批恒星和星系形成。

解释这些早期的巨型黑洞对于目前的星系演化模型来说是一个相当大的挑战。早期黑洞吸积气体的效率会比现代黑洞高得多吗?还是尘埃的存在会影响类星体质量估计，导致研究人员高估早期黑洞的质量?目前有许多解释，但没有一种被广泛接受。

仔细观察早期黑洞的成长

要确定哪种解释是正确的(如果有的话)，需要对类星体有比以前更全面的了解。随着太空望远镜JWST的出现，特别是望远镜的中红外仪器MIRI，天文学家研究遥远类星体的能力有了巨大的飞跃。对于测量遥远类星体的光谱，MIRI比任何以前的仪器都要灵敏4,000倍。

像MIRI这样的仪器是由国际财团建造的，科学家、工程师和技术人员密切合作。自然，财团非常有兴趣测试他们的仪器是否按计划运行。

作为建造该仪器的回报，联盟通常会获得一定的观测时间。2019年，也就是詹姆斯·韦伯太空望远镜发射的几年前，MIRI欧洲联盟决定利用这段时间观测当时已知最遥远的类星体，该物体被命名为J1120+0641。

观察最早的黑洞之一

分析观测结果的任务落到了马克斯普朗克天文研究所(MPIA)的博士后研究员、MIRI欧洲联盟成员SarahBosman博士身上。MPIA对MIRI仪器的贡献包括制造一些关键的内部部件。Bosman被邀请加入MIRI合作，专门为如何最好地利用该仪器研究早期宇宙，特别是第一个超大质量黑洞提供专业知识。

观测是在2023年1月进行的，当时是詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一个观测周期，持续了大约两个半小时。它们是对宇宙黎明时期类星体的首次中红外研究，距大爆炸(红移z=7)仅7.7亿年。信息不是来自图像，而是来自光谱：物体光像彩虹一样分解成不同波长的成分。

追踪灰尘和快速移动的气体

中红外光谱(连续谱)的整体形状编码了典型类星体中环绕吸积盘的大型尘埃环的特性。该环有助于引导物质进入吸积盘，为黑洞“提供养分”。

对于那些希望通过其他快速增长模式解决早期大质量黑洞问题的人来说，坏消息是：这个非常早期的类星体的环面，以及由此延伸出来的进食机制，似乎与更现代的同类相同。唯一的区别是没有一个快速早期类星体增长模型能够预测到的：尘埃温度略高，比距离较近的类星体中最热尘埃的1300K高出约100开尔文。

光谱中波长较短的部分主要由吸积盘本身的辐射组成，这表明对于我们这些遥远的观察者来说，类星体的光线并没有被比平常更多的尘埃所减弱。认为我们可能只是因为额外的尘埃而高估了早期黑洞的质量的说法也不是解决办法。

早期类星体“惊人地正常”

类星体的宽线区域看起来也很正常，气体团块以接近光速的速度绕黑洞旋转——这可以推断出黑洞的质量以及周围物质的密度和电离程度。从光谱中可以推断出的几乎所有特性来看，J1120+0641与后来的类星体并无不同。

“总体而言，新的观测结果只会增加谜团：早期的类星体非常正常。无论我们在哪个波长下观察它们，类星体在宇宙的所有时期都几乎相同，”博斯曼说。当宇宙的年龄仅为现在的5%时，不仅超大质量黑洞本身，而且它们的进食机制显然已经完全“成熟”。

通过排除多种替代解决方案，结果有力地支持了这样一种观点：超大质量黑洞从一开始就具有相当大的质量，用天文学术语来说：它们是“原始的”或“种子大的”。超大质量黑洞不是由早期恒星的残余物形成的，然后质量迅速增长。它们一定是在早期形成的，初始质量至少为十万个太阳质量，可能是通过早期大量气体云的坍缩形成的。