天文学家借助韦伯太空望远镜探测到宇宙早期类星体的宿主星系

最近发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究表明，黑洞的质量接近太阳质量的十亿倍，而宿主星系的质量几乎是太阳质量的一百倍，这一比例与近代宇宙中发现的情况相似。斯巴鲁望远镜和 JWST 的强大组合为研究遥远的宇宙铺平了一条新的道路。

遥远宇宙中存在如此巨大的黑洞，给天体物理学家带来了更多的问题，而不是答案。宇宙如此年轻，这些黑洞怎么可能长得如此巨大？更令人费解的是，对本地宇宙的观测表明，超大质量黑洞的质量与它们所在的更大的星系之间存在着明显的关系。星系和黑洞的大小完全不同，那么是黑洞先出现还是星系先出现呢？这是一个宇宙尺度上的"先有鸡还是先有蛋"的问题。

JWST NIRCam 3.6 μm 拍摄的 HSC J2236+0032 图像。放大图像、类星体图像以及减去类星体光线后的宿主星系图像（从左到右）。每幅图像中都标明了以光年为单位的图像比例。图片来源：Ding, Onoue, Silverman, et al.

由卡夫利宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）项目研究员丁旭恒和约翰-西尔弗曼教授，以及北京大学卡夫利天文与天体物理研究所（PKU-KIAA）卡夫利天体物理学研究员小野上正夫萨领导的国际研究团队，已经开始利用2021年12月发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）来回答这个问题。

研究宇宙早期宿主星系和黑洞之间的关系可以让科学家观察它们的形成过程，了解它们之间的关系。

类星体很亮，而它们的宿主星系却很暗，这使得研究人员很难在类星体的强光下探测到星系的暗光，尤其是在很远的距离上。在 JWST 出现之前，哈勃太空望远镜能够探测到明亮类星体的宿主星系，当时宇宙的年龄还不到 30 亿年，但已经不再年轻了。

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜将其主镜完全展开，形成在太空中时的构型。图片来源：NASA/Chris Gunn

JWST在红外波段的超高灵敏度和超清晰图像终于让研究人员能够将这些研究推向类星体和星系最初形成的时间。就在 JWST 开始正常运行几个月后，研究小组观测到了两颗类星体，分别是 HSC J2236+0032 和 HSC J2255+0251，红移分别为 6.40 和 6.34，当时宇宙的年龄大约为 8.6 亿年。

这两颗类星体是在夏威夷毛纳凯亚山顶的 8.2 米苏巴鲁望远镜的深度巡天计划中发现的。这两颗类星体的光度相对较低，是测量宿主星系特性的主要目标，宿主星系的成功探测代表了迄今为止在类星体中探测到星光的最早时间。

卡弗利IPMU项目研究员丁旭恒、约翰-西尔弗曼（John Silverman）教授和卡弗利天文学和天体物理学研究所（PKU-KIAA）卡弗利天体物理学研究员Masafusa Onoue（左起）。图片来源：卡弗里国际天文物理研究所、卡弗里国际天文物理研究所、Masafusa Onoue

这两颗类星体的图像是用 JWST 的 NIRCam 仪器以 3.56 和 1.50 微米的红外波长拍摄的，在仔细建模并减去来自吸积黑洞的眩光后，宿主星系变得清晰可见。在 JWST 的近红外光谱仪为 J2236+0032 拍摄的光谱中也可以看到宿主星系的恒星特征，这进一步支持了宿主星系的探测。

对宿主星系光度的分析发现，这两个类星体宿主星系的质量很大，分别是太阳质量的1300亿倍和340亿倍。通过近红外光谱仪光谱对类星体附近湍流气体速度的测量表明，为类星体提供能量的黑洞质量也很大，分别是太阳质量的14亿倍和2亿倍。黑洞质量与宿主星系质量之比类似于近期星系的质量，这表明黑洞与其宿主星系之间的关系在宇宙大爆炸后8.6亿年就已经存在了。

丁、西尔弗曼、奥努埃和他们的同事将利用计划中的第一周期 JWST 观测，用更大的样本继续这项研究，这将进一步制约黑洞及其宿主星系共同演化的模型。研究小组最近得知，他们已经获得了 JWST 在下一个周期的额外时间来研究黑洞及其宿主星系。