宇宙黎明中的閃變信號

在宇宙中，大約10%的星系擁有一個明亮發光的中心，稱為活動星系核。天文學家認為，當星系中心的超大質量黑洞周圍形成一個氣體盤，并且氣體開始被黑洞吸入時，活動星系核便會形成。在如此極端的引力環境下，盤中的摩擦會把氣體加熱到極高溫度，使其釋放出強烈輻射。

類星體是活動星系核的一種。在近鄰宇宙中，類星體會隨著時間推移出現亮度變化，這一點早已為人所知。這種亮度變化為研究物質如何吸積到超大質量黑洞上提供了一個有力工具，也可以用來直接測量超大質量黑洞的質量。然而，要探測早期宇宙中類星體的亮度變化，仍然十分困難。

在一項新發表于《自然·天文》的研究中，一個天文學家團隊探測到了一顆來自極早期宇宙的閃變類星體。這顆類星體所發出的光可以追溯到大爆炸后僅約8.5億年的“宇宙黎明”時期。研究人員探測到了多波段紅外和X射線亮度變化。這一發現代表了迄今探測到的最早的閃變類星體。

超越針尖般的光點

超大質量黑洞的質量可以達到太陽的數十億倍。這些引力巨獸是大多數星系的中央“引擎”，有助于調控星系中的恒星形成和星系成長。

長期以來，天文學家都認為第一批星系需要超過10億年的時間才能逐漸穩定并走向成熟，因此在極早期宇宙中探測到超大質量黑洞并不符合他們的預期。然而，自2000年以來，天文學家已經在宇宙誕生后的第一個10億年內發現了200多個超大質量黑洞。這些天體之所以能夠被探測到，是因為它們正處于極其活躍的類星體階段，會釋放出猛烈的輻射爆發，使得遠在約130億光年之外的地球也能看到它們。

這些最早期的類星體在觀測中呈現出針尖般的光點，暗示著在早期宇宙中就已經存在超大質量黑洞。但僅憑這些明亮而遙遠的微小光點，天文學家很難進一步了解這些黑洞以及它們所處的宇宙黎明環境。要做到這一點，他們需要捕捉類星體的“閃變”。

被宇宙拉長的光與時間

天文學家早已知道，近鄰宇宙中的類星體會發生閃變。這種閃變源自于氣體被輸送進黑洞過程中的波動。通過捕捉類星體的閃變，天文學家能獲悉一些關于黑洞吸積盤結構的信息，也能透露黑洞正在“吞食”怎樣的物質。

若要探測到一顆來自早期宇宙的閃變類星體，從而進一步了解最早期超大質量黑洞的形狀和結構，在技術上面臨巨大挑戰。這是因為，一個天體在時間和空間上距離我們越遙遠，它發出的光看起來就越容易畸變。這種效應源于宇宙膨脹，宇宙膨脹會把光拉伸，使其向更紅、波長更長的方向發生“紅移”。同樣的拉伸也會發生在時間尺度上，例如原本在數周內自然發生的閃變，如果從數十億光年之外觀測，就會被拉長，看起來像是每隔幾個月才閃變一次。

要發現來自宇宙黎明時期的閃變類星體，就需要在更紅的波段，尤其是紅外波段，對遙遠宇宙進行持續多年的長期觀測。

意外平坦的吸積盤

在新的研究中，研究團隊在NEOWISE任務收集的數據中發現了這種閃變信號。NEOWISE是一臺天基紅外望遠鏡，在約14年的時間里對整個天空進行了掃描。通過分析NEOWISE的數據，研究人員挖掘出了一個來自大爆炸后僅8.5億年的信號，并確認它是迄今發現的最早閃變類星體。

觀測數據顯示，這顆類星體在14年間隨機閃變，很像蠟燭火焰那種沒有固定模式的跳動。據估計，這顆類星體的亮度相當于12萬億個太陽，其閃變幅度約為20%。也就是說，它的亮度上下波動的幅度大約相當于2萬億個太陽的亮度。

與此同時，研究人員還追蹤了這顆類星體在多個不同波長上的閃變情況。光的波長可以反映發光物質的溫度——物質越靠近黑洞，溫度就越高。因此，研究人員可以利用不同波長的光，繪制出黑洞周圍吸積盤內物質的形狀和結構。

通過分析這顆類星體的閃變，研究人員得出了一個令人意外的結果：這顆古老類星體周圍由氣體和塵埃構成的吸積盤，平坦得像一張扁平的薄餅——這樣的結構通常見于近鄰宇宙中較古老的黑洞系統，因為這些系統經歷了更長時間的演化，吸積盤結構也更趨穩定。

撲朔迷離的問題

這項研究首次提供了直接證據，表明天文學家在近鄰宇宙中觀測到的相同吸積過程和結構，早在宇宙非常早期就已經存在了，盡管當時的宇宙環境截然不同。

物理學家原本認為，平坦的吸積盤通常意味著黑洞周圍的吸積系統已經較為穩定。相比之下，極早期宇宙中那些剛開始形成的黑洞系統，理應更加動蕩，吸積盤也應顯得更加膨脹、混亂。而這個極早期類星體周圍的平坦吸積盤，讓問題變得更加撲朔迷離：超大質量黑洞究竟如何能在極短的宇宙時間內迅速成長并走向穩定？

為了更好地解答這一問題，研究團隊希望進一步回望更早的宇宙時間，捕捉類星體在形成初期、尚未穩定下來的狀態。這樣，天文學家或許就能逐步還原出第一批超大質量黑洞誕生和快速成長所需的環境條件。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/mit-astronomers-discover-earliest-known-flickering-quasar-0608

https://www.nature.com/articles/s41550-026-02897-4

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA/JPL-Caltech