类星体是星系极其明亮的核心，星系中心有一个活跃的超大质量黑洞。当黑洞吸入周围的气体和尘埃时，它会释放出巨大的能量，使类星体成为宇宙中最明亮的物体之一。类星体早在宇宙大爆炸后几亿年就被观测到，这些物体是如何在如此短的宇宙时间内变得如此明亮和巨大的，这一直是个谜。
科学家们提出，最早的类星体起源于过于密集的原始物质区域，这也会在类星体的环境中产生许多较小的星系。但在麻省理工学院领导的一项新研究中，天文学家观察到一些古老的类星体，它们在早期宇宙中似乎非常孤独。
天文学家们利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）回顾了130多亿年前的历史，研究了五个已知的古代类星体的宇宙环境。他们在邻近的“类星体场”中发现了令人惊讶的多样性。正如所有模型预测的那样，一些类星体居住在有50多个邻近星系的非常拥挤的区域，而其余的类星体似乎在空洞中漂流，只有几个流浪星系在它们附近。
这些孤独的类星体正在挑战物理学家的理解，即这些发光的物体是如何在宇宙的早期形成的，没有周围物质的重要来源来推动它们的黑洞生长。
“与之前的看法相反，我们发现平均而言，这些类星体不一定位于早期宇宙中密度最高的区域。他们中的一些人似乎坐在偏僻的地方，”麻省理工学院物理学助理教授安娜-克里斯蒂娜·埃勒斯说。“很难解释这些类星体是如何长得这么大的，如果它们看起来没有什么可吃的。”
有一种可能性是，这些类星体可能并不像它们看起来那么孤立，而是被厚厚的尘埃笼罩的星系所包围，因此从视线中隐藏起来。埃勒斯和她的同事们希望调整他们的观察，试图看穿任何这样的宇宙尘埃，以便了解类星体在早期宇宙中是如何变得如此之大、如此之快的。
埃勒斯和她的同事在《天体物理学杂志》上发表了一篇论文，报告了他们的发现。麻省理工学院的合作者包括博士后Rohan Naidu和Minghao Yue；罗伯特·西姆科，弗朗西斯·弗里德曼物理学教授，麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所所长；以及来自莱顿大学、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。
这五个新观测到的类星体是迄今为止观测到的最古老的类星体。这些天体的年龄超过130亿年，被认为是在宇宙大爆炸后6亿到7亿年间形成的。为类星体提供能量的超大质量黑洞的质量是太阳的10亿倍，亮度是太阳的1万亿倍。由于它们的极端亮度，来自每个类星体的光能够穿越宇宙的年龄，远到足以到达今天JWST高度敏感的探测器。
埃勒斯说：“我们现在有了一台望远镜，可以如此详细地捕捉到130亿年前的光，这真是了不起。”“这是第一次，JWST使我们能够看到这些类星体的环境，它们在哪里长大，以及它们的邻居是什么样的。”
该团队分析了JWST在2022年8月至2023年6月期间拍摄的五个古老类星体的图像。对每个类星体的观测包括多个“马赛克”图像，或类星体场的部分视图，研究小组有效地将这些图像拼接在一起，形成了每个类星体周围区域的完整图像。
望远镜还测量了每个类星体场中多个波长的光，然后研究小组对这些光进行处理，以确定场中给定的物体是否是来自邻近星系的光，以及星系距离更明亮的中心类星体有多远。
“我们发现这五个类星体之间唯一的区别是它们的环境看起来如此不同，”埃勒斯说。“例如，一个类星体周围有近50个星系，而另一个类星体只有两个星系。这两个类星体在宇宙的大小、体积、亮度和时间上都是相同的。这真是令人惊讶。”
类星体场的差异给黑洞生长和星系形成的标准图景带来了一个问题。根据物理学家对宇宙中第一批物体如何出现的最好理解，暗物质的宇宙网络应该设定了航向。暗物质是一种迄今为止未知的物质形式，除了通过引力外，它与周围环境没有其他相互作用。
在大爆炸之后不久，早期的宇宙被认为形成了暗物质细丝，起到了某种引力道路的作用，沿着它的卷尾吸引气体和尘埃。在这个网中密度过大的区域，物质会聚集形成更大质量的物体。而最明亮、质量最大的早期天体，如类星体，可能是在星系网密度最高的区域形成的，这些区域也会产生更多更小的星系。
“暗物质的宇宙网是我们的宇宙宇宙学模型的可靠预测，它可以用数值模拟来详细描述，”合著者、莱顿大学研究生埃利亚·皮扎蒂说。“通过将我们的观测结果与这些模拟结果进行比较，我们可以确定类星体在宇宙网中的位置。”
科学家们估计，类星体必须以非常高的吸积率持续增长，才能达到天文学家观测到的极端质量和亮度，也就是大爆炸后不到10亿年的时间。
“我们试图回答的主要问题是，在宇宙还非常非常年轻的时候，这些数十亿太阳质量的黑洞是如何形成的？”它仍处于起步阶段，”埃勒斯说。
研究小组的发现可能会带来更多的问题，而不是答案。“孤独的”类星体似乎生活在相对空旷的太空区域。如果物理学家的宇宙学模型是正确的，这些贫瘠的区域意味着很少有暗物质，或者是孕育恒星和星系的起始物质。那么，极其明亮和巨大的类星体是如何形成的呢？
埃勒斯说：“我们的研究结果表明，关于这些超大质量黑洞是如何成长的，还有一个重要的谜团没有解开。”“如果周围没有足够的物质让一些类星体能够持续生长，那就意味着它们一定有其他的生长方式，而我们还没有弄清楚。”
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