使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，天文學家首次觀察到了圍繞宇宙中最大、最亮和最古老的黑洞周圍的古老恒星的光。

類星體（Quasar）是一種非常遙遠且極其亮的天體，它們是宇宙中最亮的持續光源之一。類星體的亮度主要來自于它們中心的超大質量黑洞。這些黑洞雖然體積很小，但質量巨大，可以達到太陽質量的數百萬甚至數十億倍。爲啥類星體的亮度來源于黑洞?黑洞不是吸收光線而不發出麽？

你可以想象一下，當類星體周圍的塵埃和氣體被它裏面的黑洞強大引力吸引，開始向黑洞中心快速移動時，這個過程會産生巨大的能量，這就讓類星體發出極其強烈的光芒。這種光芒的亮度是如此之高，它比我們所在的整個銀河系還要亮上一千倍。

但是，正因爲類星體這麽亮，它發出的光會淹沒掉它所在星系中其他恒星相對較弱的光。這就像是在探照燈旁邊點一根蠟燭，你很難看到蠟燭的小火苗一樣。因此，天文學家在觀察類星體的時候，很難看清楚類星體所在的星系具體長什麽樣子，也就是說，很難確定這個星系的形狀和它到底有多重。

但首次，麻省理工學院的研究人員設法解開了這些信號的混合，並檢測到了來自宇宙中一些最古老類星體周圍的星系中恒星的微弱星光。他們于5月6日在《天體物理學雜志》上發表的結果揭示了，相對于它們的宿主星系，這些古老的超大質量黑洞大約是鄰近宇宙中同類黑洞的100倍大。

這些結果之所以可能，得益于JWST的卓越清晰度和分辨率。在超過120小時的望遠鏡觀測時間裏，團隊觀察了六個類星體，所有這些類星體都估計大約有130億年的曆史——是宇宙中最古老的物體之一。

“類星體比它的宿主星系亮好幾個數量級，”領導這項研究的麻省理工學院博士後學者嶽明浩在一份聲明中說。“以前的圖像清晰度不夠，無法區分包含所有恒星的宿主星系看起來是什麽樣子。”

利用韋伯太空望遠鏡改進的數據，團隊通過建模哪些光似乎來自點源（類星體），哪些光似乎來自更分散的源（周圍的恒星），設法解開了這些古老星系中的信號。掌握了相對亮度後，團隊隨後估算了每個類星體及其宿主星系的質量。

他們計算出類星體與星系的平均質量比爲1:10，而鄰近宇宙中年輕的超大質量黑洞爲1:1000。但爲什麽這些古老的黑洞如此巨大，原因尚不立即明顯。

“一個重大的問題是要理解這些巨大的黑洞是如何如此之快地變得如此之大的，”嶽說。

一個標准的黑洞形成于一顆恒星耗盡燃料並經曆引力坍縮時，觸發超新星爆炸。由此産生的黑洞隨後在其生命周期中逐漸消耗物質，隨著時間的推移而增長。

“這些黑洞的質量是太陽的數十億倍，而宇宙仍處于嬰兒期，”研究合著者、麻省理工學院物理助理教授安娜-克裏斯蒂娜·埃勒斯在聲明中說。“早期宇宙中的黑洞似乎比它們的宿主星系生長得更快。”

根據黑洞形成的常規路徑，這些黑洞根本不應該有足夠的時間變得像它們現在這樣大，這引發了存在替代形成方法的可能性。

一種提出的機制是“直接坍縮”。在這個模型中，不是恒星坍縮産生黑洞，而是一個巨大的塵埃和氣體雲坍縮，完全繞過恒星階段。理論上，這可以産生更大的黑洞——被稱爲直接坍縮黑洞——使它們在進化上提前成爲超大質量黑洞，比傳統上可能的更早。盡管這仍然是一種理論，但在2023年，天文學家宣布了第一個含有直接坍縮黑洞的星系候選者。

盡管這些異常巨大的黑洞的起源仍然未知，但這項工作爲科學家們提供了對早期宇宙中這些星系和類星體發展的洞察。