在大爆炸发生仅5亿年后，一个质量相当于太阳3亿倍的巨型黑洞，已在某个微小而明亮的星系核心炽热燃烧。通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测，该发现或可解释早期宇宙中神秘的"小红点"现象，并改写了人类对黑洞生长速度的既有认知。
"在寻找黑洞方面，这几乎是目前实际可追溯的最远距离之一。我们确实在挑战当前技术探测能力的极限，"宇宙前沿中心的博士后研究员、做出该发现的团队负责人安东尼·泰勒说道。他们的研究发表于8月6日的《天体物理学杂志》。
"虽然天文学家已经发现了一些更遥远的候选体，"该论文的合著者、宇宙前沿中心主任史蒂文·芬克尔斯坦补充道，"但他们尚未找到与黑洞相关的明确光谱特征。"
通过光谱学，天文学家将光分解为多种波长以研究物体的特性。为了识别黑洞，他们寻找快速移动气体的证据。当气体围绕黑洞旋转并落入其中时，远离我们的气体发出的光会被拉伸至更红的波长，而朝向我们的气体发出的光则被压缩至更蓝的波长。"能产生这种特征的其他事物并不多，"泰勒解释道。"而这个星系拥有它！"
该团队利用詹姆斯·韦伯空间望远镜的CAPERS（CANDELS区域棱镜再电离时期巡天）计划的数据进行搜索。JWST于2021年发射升空，提供了目前可用的最深远的太空视野，而CAPERS则提供了最边缘区域的观测。
"CAPERS的首要目标是确认并研究最遥远的星系，"该论文的合著者、CAPERS团队负责人马克·迪金森说道。"JWST的光谱学是确认它们距离和理解其物理特性的关键。"
CAPERS-LRD-z9最初在该计划的图像中呈现为一个有趣的小点，结果被发现属于一类被称为'小红点'的新型星系。这些星系仅存在于宇宙最初15亿年间，体积非常致密，呈红色，且异常明亮。
"'小红点'的发现是早期JWST数据的一个重大意外，因为它们看起来与哈勃空间望远镜观测到的星系截然不同，"芬克尔斯坦解释道。"现在，我们正在努力弄清楚它们的性质及其形成过程。"
CAPERS-LRD-z9或许能帮助天文学家做到这一点。
首先，该星系为'小红点'中异常明亮的源头是超大质量黑洞这一观点提供了越来越多的证据。通常，这种亮度表明星系中存在大量恒星。然而，'小红点'存在于不可能形成如此大质量恒星的时期。
另一方面，黑洞也会发出明亮的光芒。这是因为它们压缩并加热所吞噬的物质，产生巨大的光和能量。通过在CAPERS-LRD-z9中确认了一个黑洞的存在，天文学家在'小红点'中找到了这种关联的一个显著例证。
这个新发现的星系也可能有助于解答'小红点'独特红色的成因。这可能归功于黑洞周围存在一层厚厚的气体云，当光线穿过时，将其扭曲至更红的波长。"我们在其他星系中也见过这些气体云，"泰勒解释道。"当我们将这个天体与那些其他光源进行比较时，它完全吻合。"
该星系的另一个显著特征是其黑洞的庞大规模。据估计，其质量高达太阳质量的3亿倍，相当于其所在星系全部恒星总质量的一半。即使在超大质量黑洞中，这也是特别巨大的。
如此早期就发现这样一个超大质量黑洞，为天文学家研究这些天体的形成过程提供了宝贵机会。存在于宇宙后期的黑洞在其生命周期中会有多种机会增大质量。但存在于最初几亿年的黑洞则不会有这种机会。"这为早期黑洞增长速度远超我们原以为可能的观点增添了证据，"芬克尔斯坦说道。"或者说，它们的初始质量远超我们模型的预测。"
为了继续对CAPERS-LRD-z9的研究，该团队希望通过JWST收集更多更高分辨率的观测数据。这可能有助于更深入地了解该星系以及黑洞在'小红点'演化中所扮演的角色。"这是一个很好的测试对象，"泰勒说。"直到最近我们才有能力研究早期黑洞的演化，我们期待着能从这一独特天体中学到什么。"
研究的额外数据来自基特峰国家天文台的暗能量光谱仪（DESI），该机构是美国国家科学基金会国家光学-红外天文研究实验室（NSF NOIRLab）的项目。