韦布望远镜发现大爆炸后9亿年并肩存在的两个巨型黑洞

詹姆斯·韦布空间望远镜发现了一对在宇宙年龄不足10亿年时便已并肩“进食”的超大质量黑洞。它们构成了迄今确认的最古老的紧凑型类星体对，两者间的距离比太阳到银河系中心的距离还要短。

这对黑洞之所以意义重大，是因为没人预料到能如此早地发现它们。这两个黑洞的质量分别是太阳的数亿到数十亿倍，而在那个宇宙纪元，发现如此接近的两个黑洞的概率，远高于当前年轻宇宙模型的预测。

该系统官方编号为J1602+4228AB。它的夏威夷语名字Nāpōwawāʻenakaulua，由夏威夷大学夏威夷语言学院的拉里·基穆拉（Larry Kimura）通过A Hua He Inoa命名项目创造，意为“在热量重生能量注入宇宙的辉煌中，两个深不可测的强暗天体”。这项由美国国家科学基金会NOIRLab的西尔维娅·奥诺拉托（Silvia Onorato）领导的研究，发表在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上。

我们看到的这些光线，是在大爆炸后约9亿年从这对黑洞发出的。较大的黑洞质量约为太阳的15亿倍，较小的约为4亿倍。它们相距约18,100光年，大约是银河系直径的五分之一。

类星体是一种超大质量黑洞，它吞噬大量气体，使其周围物质的光芒盖过其宿主星系中的所有恒星。这对黑洞中的两个成员都在以爱丁顿极限（即热气体向外推的辐射与向内拉的引力相平衡的速率）或略高于该极限的速率“进食”。因此，这两个黑洞都在以物理学通常允许的最快速度增长。

“对于单个这样的巨型类星体如何在宇宙早期存在，尚且没有明确的理论解释，更不用说两个了，”奥诺拉托在NOIRLab的公告中表示。

韦布与双子星如何发现第二个类星体

这对黑洞是在Aether巡天中被发现的，这是由美国国家科学基金会NOIRLab和国际双子星天文台的埃马努埃莱·保罗·法里纳（Emanuele Paolo Farina）领导的一项韦布望远镜项目。该巡天将韦布望远镜的近红外光谱仪对准了来自宇宙最初十亿年的200个类星体，这约占该时期所有已知类星体的43%。该仪器并非记录单一光谱，而是为每个目标周围天空的每一个小区域记录独立的光谱。

在对每个数据立方体进行视觉检查时，研究小组注意到已知的类星体J1602+4228有一个几乎处于完全相同距离的微弱伴星。在已搜索过的199个巡天天区中，它是唯一一个具有宽发射线（即靠近黑洞的快速移动气体的特征）的伴星类星体。韦布望远镜对该天区观测了大约45分钟。

该伴星的亮度约为主类星体的十九分之一，两者在天上的间隔略低于一角秒，相当于从四公里外看一枚硬币的宽度。为了确认它是一个独立的天体，研究团队转向了位于夏威夷莫纳克亚山双子北望远镜上的双子星近红外光谱仪，并将狭缝设置成同时覆盖两个类星体。这个微弱的类星体获得了超过三小时的曝光时间。“莫纳克亚山的上空异常清澈通透，我们仅用两个晚上就收集到了数据，”奥诺拉托说。第三台仪器，双子星多目标光谱仪，则增加了来自该微弱伴星的光学数据。

这两个类星体的红移（衡量宇宙膨胀对其光线拉伸程度的指标）仅相差约每秒15公里，这表明它们与地球的距离基本相同。

对于如此古老的黑洞，多近才算近

这是在宇宙黎明（第一批星系形成的时代）发现的第三个类星体对，也是距离最紧凑的一个。此前最紧凑的早期类星体对J2037-4537，间距约为24,000光年，出现在宇宙历史中大约晚1亿年的时期。另一个处于类似时代的候选体J1215-0148，间距约为39,000光年，天文学家仍在争论它是否是一个真正的类星体对。

作为参照，太阳距离我们银河系中心的人马座A*黑洞约26,000光年。人马座A*的质量约为太阳的四百万倍。而这对黑洞中较大的那个，质量大约是它的380倍，并且它在宇宙年龄仅为当前年龄的6.5%时就达到了这一质量。

研究团队还探究了此类类星体对出现的频率。对类星体在大尺度上成团性的测量，在延伸到这对类星体的尺度时，预测出的此类邻居数量远少于199个天区中出现一个。观测到的这对类星体比这些外推预测值高出100到1000倍，即便研究团队使用了更暗的亮度阈值也是如此。

这对黑洞尚未解决的问题

第一个悬而未决的问题是，它们是否真的是两个类星体。一个位于我们和单个遥远类星体之间的星系可能会弯曲其光线，产生同一物体的两个影像，这种现象称为引力透镜效应。光谱分析反驳了这种可能性。这两个类星体在光线斜率和尘埃遮蔽程度上存在差异，并且它们氧发射线中观测到的快速气体外流具有不同的形状，而引力透镜效应无法改变这些形状。因此，研究团队暂时倾向于认为这是一个真实的类星体对。然而，哈勃望远镜的档案图像显示，在较暗的类星体附近可能存在一个前景星系。作者写道，仅凭光谱无法排除引力透镜效应，完整的透镜模型仍在准备中。

第二个局限在于质量本身。从单一光谱推导出的黑洞质量存在大约两倍的系统性不确定度，因此15亿和4亿这些数字只是估算值，而非精确测量值。

第三个局限涉及数量过剩的问题。成团性预测是在大得多的尺度上测量的，必须外推到远低于其测试范围的程度，作者表示，在此范围内理论极其不确定。仅凭一对类星体无法证明此类系统是普遍存在，还是仅仅是一个罕见的巧合。

单独来看，这些黑洞并未打破任何规则：它们的质量和吸积率与同时代的孤立类星体相符。仍未得到解释的是，任何黑洞如何能如此迅速地增长到太阳的十亿倍，以及为什么有两个黑洞能在如此近的距离内同时做到这一点。

为何合并可以解释这对黑洞

研究团队提出，Nāpōwawāʻenakaulua标志着早期宇宙中物质密度的极端峰值，在那里，碰撞的星系将大量气体推向它们的中心。这些气体将同时为恒星形成和两个黑洞提供燃料，这解释了为什么两个类星体会同时被“点亮”。

如果这两个宿主星系正在合并，那么黑洞最终会沉向合并星系的中心，形成一个束缚对，并在遥远的未来合并。像这样的类星体对，正是被认为会产生NANOGrav合作组报告的那种微弱引力波背景的过程的早期阶段。

读者关于此类星体对的常见问题

什么是类星体对？

类星体对是指两个活跃吸积的超大质量黑洞在太空中紧邻存在，通常是因为它们的宿主星系正在相互作用或合并。在大爆炸后的最初十亿年中，发现的此类天体对非常少。

Nāpōwawāʻenakaulua距离我们有多远？

其光线在大爆炸后约9亿年离开这对黑洞，对应的红移约为6.08。这些光线传播了近130亿年才抵达韦布望远镜。

天文学家如何称量如此遥远黑洞的质量？

他们测量来自绕黑洞运行气体的氢发射线宽度。轨道速度越快，谱线越宽，结合类星体的亮度，谱线宽度可以给出质量估算。这些基于单一光谱的估算存在大约两倍的不确定性。

第二个类星体会不会是由引力透镜效应造成的幻象？

有可能，但被认为可能性较小。这两个光谱在引力透镜效应不应产生的方式上存在差异，尤其是在其气体外流的形状上，但哈勃图像中发现了一个候选前景星系。详细的透镜模型将检验这一想法。

下一步计划

韦布望远镜于2025年4月2日记录了发现数据，双子星望远镜的后续观测持续到了今年，论文于2026年11月10日发表。奥诺拉托的团队正在准备对两个类星体之间气体运动的动力学研究，以及基于哈勃档案图像的透镜模型。由意大利国家天体物理研究所的罗伯托·德卡利（Roberto Decarli）领导的另一篇论文，将报告在整个Aether巡天中发现的伴星系，这是迈向统计样本的第一步，可以揭示此类类星体对是常见还是罕见。

参考文献：Onorato et al., “Nāpōwawā‘enakaulua: A Close Quasar Pair at Cosmic Dawn in the Aether Survey,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb11f

标签: 天文学, James Webb Space Telescope, JWST, 黑洞, Gemini North, Nāpōwawāʻenakaulua