韦伯望远镜捕捉到类星体图像 揭示了黑洞与其宿主星系之间的关系

詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）最近对宇宙萌芽时期的两颗类星体进行的观测揭示了黑洞与其星系之间早期关系的重要见解，这与近期宇宙中观测到的质量比相吻合。

新图像首次揭示了宇宙大爆炸后不到10亿年的两个大质量星系的星光，这两个星系承载着活跃生长的黑洞--类星体。这些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类似。据最近发表在《自然》上的一项研究报告，斯巴鲁望远镜的宽视场巡天观测与 JWST 的强大组合为研究遥远的宇宙铺平了一条新的道路。

近年来，对巨型黑洞的观测引起了天文学家的关注。事件地平线望远镜（EHT）已经开始对星系中心的黑洞"影子"进行成像。2020 年新物理学奖授予了银河系中心的恒星运动观测。虽然这种巨型黑洞的存在已经变得确凿无疑，但没有人知道它们的起源。

天文学家报告说，在宇宙最初的十亿年里就存在着十亿个太阳质量的黑洞--在宇宙如此年轻的时候，这些黑洞怎么会长得这么大呢？更令人费解的是，局部宇宙的观测结果表明，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 等人

由北京大学卡弗里天文与天体物理研究所（KIAA）卡弗里天体物理学研究员 Masafusa Onoue、卡弗里宇宙物理与数学研究所（IPMU）研究员丁旭恒和 IPMU 教授 John Silverman 领导的一个国际研究小组已经开始用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）来回答这个问题。 詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）是美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作开发的6.5米太空望远镜，将于2021年12月发射。

类星体很亮，而它们的宿主星系却很暗，这就给研究人员在类星体的强光下探测星系的暗光带来了挑战，尤其是在很远的距离上。"寻找红移6的类星体的宿主星系就像戴着雾蒙蒙的眼镜在一场令人叹为观止的烟花表演中寻找萤火虫一样。宿主星系非常暗淡，而且图像分辨率非常有限，即使是哈勃太空望远镜也是如此，因此要揭开它们隐藏的美丽是一个真正的挑战，"丁旭恒说。

美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的艺术家概念图。图片来源：NASA、ESA 和诺斯罗普-格鲁曼公司

研究小组用JWST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。这两颗类星体最初是通过 8.2 米苏巴鲁望远镜的宽视场巡天发现的，迄今为止，研究小组已经利用该望远镜发现了 160 多颗类星体。这些类星体的亮度相对较低，是测量宿主星系特性的主要目标，而成功探测到宿主星系则是迄今为止在类星体中探测到星光的最早时间。

这两颗类星体的图像是用 JWST 的 NIRCam 仪器在 3.56 和 1.50 微米的红外波长下拍摄的，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NIRSpec为J2236+0032拍摄的光谱中也看到了宿主星系的恒星特征，进一步支持了宿主星系的探测。"自从我在日本国立天文台攻读博士学位以来，我就一直深入参与斯巴鲁高红移类星体巡天研究。我们利用斯巴鲁望远镜成功地探测到了高红移类星体的星光，对此我感到非常自豪，"Masafusa Onoue 说。

卡弗利 IPMU 项目研究员丁旭恒、约翰-西尔弗曼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）。资料来源：卡弗里国际天体物理研究所、卡弗里国际天体物理研究所、Masafusa Onoue

通过观测，研究小组发现黑洞质量与宿主星系质量的比例与近代宇宙中的黑洞质量与宿主星系质量的比例相似。这一结果表明，黑洞与宿主星系之间的关系在宇宙大爆炸后的最初十亿年内就已经形成。研究小组将用更大的遥远类星体样本继续这项研究，旨在进一步制约黑洞及其母星系在宇宙时间中的共同演化成长史。这些观测结果将对黑洞及其母星系的共同演化模型起到约束作用。

编译来源：ScitechDaily