天文学家发现了在早期宇宙中似乎意外孤立的古老类星体。这一观察提出了问题，即考虑到附近缺乏额外物质来支持它们的发展，这样极其明亮的物体是如何在如此早期出现的。
类星体本质上是一个星系的极其明亮的核心，中心包含一个活跃的超大质量黑洞。当黑洞吞噬周围的气体和尘埃时，它会释放出大量的能量，使类星体成为宇宙中最亮的天体之一。类星体的探测追溯到大爆炸后仅几亿年，如何在相对短的宇宙时间内获得如此亮度和质量仍不清楚。
科学家们提出，最早的类星体是从具有极其密集的原始物质的区域发展而来的，这也导致了其周围形成了几个较小星系。然而，由麻省理工学院主导的一项新研究显示，一些古老的类星体似乎在早期宇宙中出奇地孤立。
利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），天文学家们回顾了超过130亿年的时间，以调查五个古老类星体的周围环境。他们观察到一种意外的环境多样性，称为“类星体场”。尽管一些类星体位于邻近50多颗星系的密集场中——正如所有模型所预期——但其他类星体则似乎漂浮在只有少数遥远星系的空白区域。
这些孤立的类星体对物理学家们构成了挑战，他们试图理解这样辉煌的天体是如何在周围没有大量物质支持黑洞的生长的情况下形成的。
麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·艾尔斯评论道：“与之前的想法相反，我们的发现表明，这些类星体平均并不一定位于早期宇宙最密集的区域。有些似乎位于几乎空荡荡的空间中。搞清楚这些类星体是如何变得如此庞大，如果它们似乎缺乏显著的滋养来源，确实令人困惑。”
还有可能这些类星体并不像它们看上去那样孤立，而是被被尘埃严重遮蔽的星系所包围，因此在我们目前的观察中是不可见的。艾尔斯和她的团队计划改进他们的观察，以穿透这些宇宙尘埃，深入了解类星体如何在早期宇宙中迅速变得如此庞大。
艾尔斯及其团队的研究结果已发表在最新一期的《天体物理学杂志》上。这项研究由麻省理工学院的博士后罗汉·奈杜和明昊·岳共同署名，以及麻省理工学院弗朗西斯·弗里德曼物理学教授、卡夫利天体物理与空间研究所所长罗伯特·西姆科及来自莱顿大学、加州大学圣巴巴拉分校、苏黎世联邦理工学院等机构的合作者。
星系邻居
所研究的五个类星体是观察到的最古老的类星体之一，追溯超过130亿年。它们被认为是在大爆炸后600到700百万年之间形成的。这些类星体所驱动的超大质量黑洞的质量是我们太阳的10亿倍，亮度则超过1万亿倍。它们的极端亮度使得它们的光可以穿越宇宙，被JWST今天探测到。
艾尔斯表示：“令人惊讶的是，我们现在拥有一台能够捕捉到130亿年前光线的望远镜，且细节如此惊人。JWST首次让我们能够检查这些类星体的环境，揭示它们形成的位置及其周围的情景。”
研究团队分析了JWST在2022年8月至2023年6月之间捕获的五个类星体的图像。每个类星体的观察由多个部分视图或“拼图”图像组成，团队将这些图像组合成它们周围社区的综合图像。
望远镜还测量了每个类星体场中不同波长的光。团队处理这些数据，以识别特定物体是否是来自邻近星系的光，并确定每个星系与显著更亮的类星体的距离。
艾尔斯指出：“我们发现这五个类星体之间唯一显著的差异是它们环境的外观。例如，一个类星体附近有近50颗星系，而另一个只有两颗。所有五个类星体的大小、亮度和宇宙时间框架都相似，因此看到如此悬殊的差异令人吃惊。”
生长迅猛
类星体环境的变化对黑洞生长和星系形成的传统理解构成了挑战。物理学家认为，宇宙中最早物体的出现受到宇宙暗物质网络的影响。暗物质是一种尚未完全理解的物质类型，仅通过引力效应与宇宙相互作用。
大爆炸后，早期宇宙被认为形成了暗物质丝，这些丝作为引力通道，沿其路径吸引气体和尘埃。在这个网络的高密度区域，物质会聚集成更大的结构，导致最亮和最庞大的早期物体如类星体的形成，以及许多较小的星系。
共同作者、莱顿大学的研究生埃利亚·皮扎蒂解释说：“暗物质的宇宙网络是我们宇宙宇宙学模型中的一个关键预测，可以通过数值模拟详细化。通过将我们的观察与这些模拟进行比较，我们可以精确确定类星体在宇宙网络中的位置。”
估计表明，类星体需要以非常高的速率持续累积物质，以在它们被观察时（即大爆炸后不到10亿年）达到其极端质量和亮度。
艾尔斯说：“我们迫切想回答的问题是，这些十亿太阳质量的黑洞在宇宙的早期阶段是如何形成的。”
团队的发现可能引发比解决更多的问题。这些“孤独”的类星体似乎占据了相对稀疏的空间区域。如果物理学家的宇宙学理论成立，这些空白区域暗示着暗物质极少或创造恒星和星系所需的起始材料不足。那么，如何存在如此明亮和巨大的类星体呢？
艾尔斯总结道：“我们的发现表明，关于这些超大质量黑洞如何增长的拼图中，仍然缺少一个关键元素。如果附近没有足够的物质使这些类星体能够稳步增长，那么这表明必定还有其他机制在起作用，而我们尚未发现。”
这项研究得到了欧洲研究委员会的部分资助。
