天文学家发现了31个已知最古老的类星体，其中包括迄今探测到的最早的两个，它们闪耀于宇宙仅约6.7亿岁的时期。这些极其明亮的天体由质量为太阳数十亿倍的超大质量黑洞驱动，挑战了科学家对大爆炸后如此巨大的黑洞如何能迅速形成的认知。
目前，一个国际研究团队已确认了迄今为止发现的31个最古老的类星体，其中包括两个已知最早的样本。当宇宙仅约6.7亿岁时，这些非凡的天体就已经闪耀着约万亿颗太阳的光芒。这项发表在天文学与天体物理学（Astronomy & Astrophysics）上的发现，让我们得以前所未有地窥探宇宙历史最早的篇章之一。
“这些天体为理解超大质量黑洞如何形成提供了最佳线索，”合著者、加州大学圣塔芭芭拉分校和莱顿大学联合任职的物理学教授约瑟夫·亨纳维表示。“这些‘怪兽’——质量是我们太阳的数十亿倍——不知何故在宇宙处于婴儿期时就已经存在了。我们尚不完全清楚它们是如何在如此短的时间内增长到如此巨大的。”
为何古老类星体难以发现
几十年来，天文学家一直在寻找宇宙最早的类星体，因为它们保存着关于第一批星系和超大质量黑洞如何诞生的宝贵信息。
然而，寻找它们极具挑战性。在大爆炸后不到约7.7亿年形成的类星体极为罕见，因为只有少数星系长得足够大以容纳它们。它们微弱的光芒也很容易与我们银河系中距离近得多的恒星混淆。
另一个障碍来自宇宙的膨胀。随着空间在数十亿年间不断拉伸，这些遥远类星体的光从紫外波段移到了近红外波段。地球大气层在这些波长上会自然发光，使得地基望远镜更难探测到这类微弱的天体。
天文学家利用这种被称为“红移”的效应来估算距离和年龄。红移越大，天体看起来就越遥远，在宇宙历史中出现的年代也就越早。“红移为7意味着我们回到了宇宙仅7.5亿岁的时候，不到其当前年龄的6%，”亨纳维说。
“这两个因素使得在这些距离上寻找类星体变得异常困难，”第一作者、亨纳维在莱顿大学团队的博士生杨大明说。“每一个类星体周围，都有数千颗银河系及附近星系中的恒星，它们在成像巡天中看起来几乎一模一样。而且由于在如此远的距离下它们的光被拉伸到了红外波段，我们需要一项既足够广阔以捕捉这些稀有天体，又足够深入以探测其微弱光芒的巡天项目。”
由于这些限制，从地球表面进行搜寻几乎是不可能的。从太空观测能提供更清晰的视野。
欧几里得太空望远镜发现31个古老类星体
欧洲航天局于2023年发射了欧几里得太空望远镜，旨在研究这一关键时期的宇宙。欧几里得在地球大气层之上运行，避开了限制地基观测的红外辉光，同时以惊人的深度巡天大片天区。
利用欧几里得广域巡天的数据，研究人员确认了前所未有的31个来自早期宇宙的新类星体。该巡天项目一旦完成，将绘制超过全天三分之一的天区图。其中一些新发现的类星体可追溯至宇宙年龄仅为当前年龄约5%的时期。
在此之前，天文学家主要只能探测到最亮、最稀有的古老类星体，导致样本太少，无法从整体上研究早期类星体群。
“欧几里得是一个真正的颠覆者，”杨大明说。“以前，我们只能找到极少数最亮的古老类星体，但欧几里得让我们能够在巨大的天区范围内更高效地搜寻，捕捉到微弱得多的光芒。它是类星体搜寻的独特工具。”
窥探宇宙最初十亿年的窗口
研究人员最近更详细地检查了新集合中第二古老的类星体。他们发现它位于一个充满尘埃、富含气体且正经历剧烈恒星形成爆发的星系内，这为最早期的超大质量黑洞生长的环境提供了新线索。
这些新发现的类星体来自一个被称为“再电离时期”的关键时期，当时第一批恒星和星系通过电离曾经充满太空的中性氢气体，改变了早期宇宙。这一时期塑造了随后宇宙的演化。
在这31个新发现的类星体中，有14个的红移值达到或超过7。最古老的那两个红移值分别为7.69和7.77，是迄今为止确认的最早的类星体。它们位于超过130亿光年之外，我们看到的它们存在于宇宙最初的6.7亿年内。它们也打破了亨纳维研究小组在2021年创下的纪录。
“每向过去回溯一步，谜题就变得更加令人困惑：宇宙是如何如此迅速地产生超大质量黑洞的？”亨纳维说。“我们发现，在宇宙才刚刚起步的时候，就已经存在质量是太阳数亿倍的黑洞了。”
深入探索宇宙历史
通过改进望远镜和更复杂的搜索技术，天文学家已稳步将探索触角延伸至宇宙历史更深处。发现大约前10个红移值在7或以上的类星体花费了十多年的时间。欧几里得仅在一年内就发现了比这更多的类星体，使已知此类极古老天体的数量增加了一倍以上。
机器学习也成为搜索工作中不可或缺的一部分。据亨纳维介绍，先进的算法现在可以检查数千万个天体源，并从数量压倒性的相似恒星和星系中筛选出极少数真正的类星体。
亨纳维的团队花费数年时间开发了用于这些发现的许多算法。他还领导开发了PypeIt软件，加州大学系统的天文学家使用该软件处理凯克望远镜收集的观测数据。通过加州大学的观测权限，凯克望远镜确认了三分之二的新发现类星体，其中包括三个最遥远的样本。
研究人员现在的目标是发现第一个已知红移值超过8的类星体，这将揭示一个存在于宇宙最初6.3亿年内的天体。
詹姆斯·韦伯和ALMA将研究这些古老巨人
发现这些类星体仅仅是个开始。该团队已获得詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测时间，以对其中许多类星体进行详细研究。未来的观测将测量其黑洞的质量，分析周围气体的化学成分，并利用它们的光来追踪再电离过程在年轻宇宙中是如何展开的。
与此同时，阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）将研究宿主星系内部的尘埃、气体和恒星形成情况，从而更清晰地描绘最早的大质量星系是如何演化的。
“更大的愿景是将所有这些拼接成一条连贯的时间线，”亨纳维说：“一部关于最初十亿年的类星体编年史。”
欧几里得联盟的杨大明、安托万·巴塞特和让-查尔斯·奎兰德对本文有贡献。