借助詹姆斯·韦伯太空望远镜的能力，天文学家们穿越了130亿年的时空，意外地发现了一些孤独的、由超大质量黑洞驱动的类星体。这些发现挑战了我们对宇宙早期结构的理解，因为这些孤立的黑洞似乎在大爆炸后的短短几亿年内就迅速增长到了惊人的质量。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测结果令人困惑，因为在理论上，孤立的黑洞应该很难聚集足够的物质来达到超大质量，尤其是在宇宙诞生后的几百万年内。这一发现为我们理解宇宙早期黑洞如何增长到相当于数百万甚至数十亿个太阳质量的谜团增添了新的复杂性。
这些突破性的发现是在一组科学家使用JWST对五个已知最早的类星体进行环境研究后得出的。这些类星体形成于宇宙年龄在6亿到7亿年之间。研究团队发现，这些类星体周围的环境，即所谓的“类星体场”，出人意料地多样化。一些类星体场是科学家们预测的密集环境，而另一些则是稀疏的“空炉”，这些环境似乎难以为超大质量黑洞的生长提供足够的物质。
麻省理工学院的物理学助理教授Anna-Christina Eilers在一份声明中表示：“与先前的信念相反，我们发现，平均而言，这些类星体并不一定位于早期宇宙的最高密度区域。它们中的一些似乎位于无处之地的中心，这使得解释这些类星体如何能够长得如此之大变得困难，如果它们似乎没有东西可以吞噬的话。”
类星体需要充足的“食物”来维持它们惊人的亮度。超大质量黑洞被认为潜伏在相对现代宇宙中所有大星系的核心。由于没有恒星足够大以至于能够坍缩形成如此巨大的黑洞，科学家们知道超大质量黑洞必须以与所谓的“恒星质量黑洞”不同的方式形成，后者的质量在太阳的10到100倍之间，由大质量恒星的死亡产生。
超大质量黑洞可能通过不断合并越来越大的黑洞来增长，模型表明——然而，问题是这个过程应该需要超过10亿年。然而，JWST观测到的超大质量黑洞形成的时间要短得多。
我们能够看到这些超大质量黑洞，是因为它们位于动荡的富含气体的即时环境中，称为活动星系核（AGN），它们从中获取营养。这也促进了它们的生长。这些环境中黑洞的巨大质量导致周围的气体和尘埃云变得扁平并发出明亮的光芒，通常比它们所在的星系中所有恒星的总光还要亮。这种光，比太阳亮数万亿倍，表明了一个类星体。
然而，超大质量黑洞需要一个“送货服务”，以确保它们的即时周围环境充满气体和尘埃，以实现这种惊人的亮度。
Eilers说：“现在我们有了一台望远镜，能够以如此多的细节捕捉到130亿年前的光，这真是令人惊叹。JWST首次使我们能够观察这些类星体的环境，它们成长的地点，以及它们的邻里是什么样的。”
为了研究类星体的更广泛环境，团队选择了JWST在2022年8月至2023年6月间研究的五个超大质量黑洞驱动的区域。这需要“拼接”多个图像，为每个超大质量黑洞邻里创建一个类星体场镶嵌画。
通过处理图像中的多种波长的光，还可以确定光是否来自类星体的邻近星系，并测量那个星系在明亮的中心类星体中的起源距离。
Eilers说：“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。例如，一个类星体周围几乎有50个星系，而另一个只有两个。而这两个类星体在宇宙的大小、体积、亮度和时间上都在同一个范围内。看到这一点真的很令人惊讶。”
团队的发现挑战了超大质量黑洞生长的观念，甚至整个星系的形成。目前的了解是，这种演化是由一个庞大的“宇宙网”的暗物质引导的；暗物质占所有物质的大约85%，但对我们来说仍然基本上是不可见的。
宇宙网中的暗物质丝引导早期宇宙中的气体和尘埃，沿着其巨大的触须吸引原始物质。在这个宇宙网的丝线相遇的地方，物质的过度密集区域积累了。在这里，早期的星系被建造，最早的类星体应该被发现。
莱顿大学的研究生、团队负责人Elia Pizzati在声明中说：“暗物质的宇宙网是我们宇宙宇宙学模型的一个坚实预测，它可以使用数值模拟详细描述。通过将我们的观测与这些模拟进行比较，我们可以确定类星体在宇宙网中的位置。”
位于宇宙网节点的超大质量黑洞应该通过宇宙网稳定而迅速地吸收气体和尘埃来生长，就像一个星系的Grub Hub——这将允许类星体达到巨大的质量和极端的亮度——但科学家们仍然需要知道这是如何在宇宙历史的早期发生的。
Eilers说：“我们试图回答的主要问题是，这些十亿太阳质量的黑洞是如何在宇宙仍然非常、非常年轻的时候形成的？它仍然在它的婴儿期。”
不幸的是，这项研究似乎引发了比解决已经困扰科学家的问题更多的问题。贫瘠的邻里似乎表明缺乏暗物质和宇宙网节点的过度密集。如果情况确实如此，当前的生长机制理论无法解释这些类星体。
解决这个谜团的一个可能的解决方案是，这些早期的类星体实际上被宇宙尘埃包围，因此不可见。团队现在打算“调整”他们对这些潜在的空类星体场的观测，以发现任何这样的隐藏星系。
Eilers总结道：“我们的结果表明，关于这些超大质量黑洞如何生长的谜题仍然缺少一个重要的部分。如果周围没有足够的物质供一些类星体持续生长，那么一定有其他方式让它们生长，我们还没有弄清楚。”
该团队的研究于10月17日发表在《天体物理学杂志》上，为我们对宇宙早期的理解增添了新的篇章，并激发了对未来探索的期待。
