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本報北京7月3日電（記者晉浩天）詹姆斯·韋布空間望遠鏡最新觀測數據首次揭示宇宙大爆炸早期兩顆快速增長的超大質量黑洞（類星體）所在寄主星系的星光。北京大學天文學家聯合領導國際研究團隊以《探測宇宙初期紅移超過6的類星體寄主星系的星光》為題，于日前在《自然》雜志發布一項新成果，該研究表明這些超大黑洞的質量接近太陽的十億倍，而寄主星系的質量幾乎是前者的上百倍。該質量關系與來自臨近星系的觀測結果一致。
在遙遠的宇宙中存在著超大質量黑洞，這一觀測結果非但沒有給天體物理學家提供揭秘宇宙的答案，反而引發了更多困惑。首先，在宇宙誕生之初，這些超大黑洞是如何在短時間內增長到如此巨大的？其次，更令人費解的是，近鄰星系觀測數據表明，超大黑洞與它們所在的寄主星系之間存在顯著的質量相關性。然而星系和黑洞的尺寸差別很大，兩者聯系是如何建立的？是黑洞先演化還是星系先演化？這是一個宇宙尺度規模的“雞生蛋還是蛋生雞”問題。
研究團隊由此開始通過詹姆斯·韋布空間望遠鏡探索這些問題。該望遠鏡于2021年12月發射，目的是觀察宇宙早期階段的寄主星系和黑洞，從而進一步探尋它們如何形成并相互聯系的。在詹姆斯·韋布空間望遠鏡投入使用之前，哈勃空間望遠鏡最遠觀測到來自100億年前的類星體寄主星系的星光。值得注意的是，當前的理論模型預測宇宙目前的年齡在138億年左右。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡在紅外波段下的超強靈敏度和超清晰成像能力，使研究人員能夠將這些研究追溯到類星體和星系首次形成的時期。該望遠鏡開展常規化運行僅幾個月后，該研究團隊觀測了兩顆類星體HSC J2236+0032和HSC J2255+0251，它們發出的光經過了130億年左右的時間到達地球——這也意味著，“光”發生時，宇宙年齡大約在8.6億年。
在精確圖形建模并摘除類星體的閃耀光線后，寄主星系的圖像清晰可見。團隊使用該望遠鏡拍攝了光譜數據，并從中觀察到寄主星系中恒星的特征譜線，進一步支持了類星體中寄主星系的存在。該研究還打破了類星體寄主星系星光探測的最遠紀錄。通過對寄主星系光度的分析，團隊發現它們是非常龐大的星系，其恒星質量分別是太陽質量的1300億和340億倍。通過測量類星體周圍湍流氣體的速度，科學家推斷，驅動類星體的黑洞同樣巨大，它們的質量分別是太陽的14億倍和2億倍。“這些宇宙早期的黑洞與寄主星系的質量關系和近鄰星系情況相似，這表明大爆炸后約8億年內黑洞與寄主之間的質量關系便已建立。”團隊成員丁旭恒說。
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JWST NIRCam 3.6μm 觀測到的HSC J2236+0032 （Credit: Ding, Onoue, Silverman et al.），從左到右分別是JWST的類星體所在視場圖、類星體圖以及摘除類星體后呈現出的寄主星系圖。 圖像尺度比例以光年為單位顯示于每個面板中（圖片來自北京大學新聞網）