詹姆斯·韦伯太空望远镜的CEERS调查发现了迄今为止发现的最遥远的活跃超大质量黑洞，它存在于宇宙大爆炸后5.7亿年多一点。它还发现了另外两个小黑洞和近12个极遥远的星系。这些发现挑战了先前关于早期宇宙中普遍存在质量较小的黑洞和星系的假设。

这可是笔大买卖!宇宙中绝对充满了黑洞。研究人员早就知道这一点，但早期宇宙中存在的质量较小的黑洞太暗而无法探测到——直到詹姆斯·韦伯太空望远镜开始观测。宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查背后的研究人员是第一批开始从韦伯高度详细的图像和数据中提取这些明亮的、极其遥远的物体的研究人员之一。

首先是迄今为止发现的最遥远的活跃超大质量黑洞——大爆炸后5.7亿年多一点。它在较小的一面，更类似于我们银河系中心的超大质量黑洞的质量，而不是我们以前用其他望远镜瞥见的超大“怪物”。CEERS的研究人员还在早期宇宙中发现了另外两个小黑洞，以及近12个极其遥远的星系。这些初步发现表明，在早期宇宙中，质量较小的黑洞和星系可能比之前证明的更常见。

这张图显示了目前宇宙中已知的最遥远的活动超大质量黑洞的探测结果。它们是由太空和地面上的一系列望远镜发现的。最近，詹姆斯·韦伯太空望远镜的宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查发现了其中三颗。最遥远的黑洞是CEERS 1019，它存在于宇宙大爆炸后5.7亿年。CEERS 746是在宇宙大爆炸后10亿年被探测到的。目前排名第三的是CEERS 2782，它存在于大爆炸后11亿年。来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)， Steve Finkelstein (UT Austin)

研究人员用詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了迄今为止最遥远的活跃超大质量黑洞。这个名为CEERS 1019的星系在宇宙大爆炸后5.7亿年多一点就存在了，它的黑洞比早期宇宙中发现的任何黑洞都要小。不仅如此，它们还很容易“摇出”另外两个黑洞，它们也在较小的一侧，在大爆炸后的10亿年和11亿年存在。韦伯还确定了11个星系，它们存在于宇宙诞生4.7亿到6.75亿年前。这一证据是由德克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂芬·芬克尔斯坦领导的韦伯宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查提供的。该项目结合了韦伯非常详细的近红外和中红外图像以及被称为光谱的数据，所有这些都被用于这些发现。

准备好探索数据了吗?在4.7微米以上发现白色峰。它代表氢。韦伯的数据适用于两个模型，因为不止一个来源对数据的形状负责。底部的宽模型，用黄色表示，适合黑洞活跃吸积盘中快速旋转的气体。带有高峰的紫色模型适合星系中较慢的气体-这是活跃形成的恒星发射的气体。来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)， Steve Finkelstein (UT Austin)， Rebecca Larson (UT Austin)， Pablo Arrabal Haro (NSF NOIRLab)

CEERS 1019不仅因其存在的时间久远而引人注目，而且其黑洞的重量相对较小。这个黑洞的质量约为900万太阳质量，远远小于早期宇宙中存在的其他黑洞，这些黑洞也被其他望远镜探测到。这些庞然大物的质量通常是太阳的10亿倍以上，而且它们更容易被探测到，因为它们更亮。(它们在积极地“吃掉”物质，当物质向黑洞旋转时，物质就会发光。)

CEERS 1019中的黑洞与我们银河系中心的黑洞更相似，银河系的质量是太阳的460万倍。这个黑洞也没有之前发现的更大的庞然大物那么明亮。虽然这个黑洞更小，但它存在的时间要早得多，所以很难解释它是如何在宇宙开始后这么快就形成的。研究人员早就知道，宇宙早期一定存在较小的黑洞，但直到韦伯开始观察，他们才能够做出明确的探测。(CEERS 1019可能只会保持这一记录几个星期——关于韦伯发现的其他更遥远黑洞的说法目前正在被天文学界仔细审查。)

詹姆斯·韦伯太空望远镜上的NIRCam(近红外相机)的10个近红外点被拼接在一起，形成了这个马赛克，被称为宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查。这些观测都在哈勃太空望远镜所研究的同一区域内，该区域被称为扩展生长带。来源:NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin)， Micaela Bagley (UT Austin)， Rebecca Larson (UT Austin)， Alyssa Pagan (STScI)

韦伯的数据实际上充满了精确的信息，这使得这些确认很容易从数据中提取出来。德克萨斯大学奥斯汀分校的丽贝卡·拉尔森领导了这项发现，她说:“用这台望远镜观察这个遥远的物体，就像观察我们附近星系中存在的黑洞的数据一样。”“有这么多谱线要分析!”研究小组不仅可以弄清楚光谱中哪些是来自黑洞的，哪些是来自它的宿主星系的，他们还可以确定黑洞吸收了多少气体，并确定其星系的恒星形成速率。

研究小组发现，这个星系在吸收尽可能多的气体的同时，也在产生新的恒星。他们转向图像来探索其中的原因。从视觉上看，CEERS 1019是三个明亮的团块，而不是一个单一的圆盘。“我们不习惯在这么远的距离看到这么多的图像结构，”CEERS团队成员、纽约罗切斯特理工学院的Jeyhan Kartaltepe说。“星系合并可能是推动这个星系黑洞活动的部分原因，这也可能导致恒星形成增加。”

研究人员利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据和图像，已经捕获了早期宇宙中已知最小的两个超大质量黑洞。在上面的每一个光谱中，都可以清楚地看到它们与宿主星系之间的距离:三条线以同样的顺序出现——一条氢线紧随其后的是两条电离氧线。这种模式的落点揭示了两个目标的红移，向研究人员展示了它们发出的光是多久以前发出的。第一个光谱证明黑洞CEERS 2782在大爆炸后仅存在11亿年，在127亿年前发出光。韦伯的数据还显示，它没有尘埃。第二个是CEERS 746，它的存在时间稍早一些，在大爆炸后10亿年，但它明亮的吸积盘仍有一部分被尘埃覆盖。“中心的黑洞是可见的，但尘埃的存在表明它可能位于一个正在疯狂泵出恒星的星系中，”科切夫斯基补充说。来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)， Steve Finkelstein (UT Austin)， Dale Kocevski (Colby College)， Pablo Arrabal Haro (NSF NOIRLab)

更多极遥远的黑洞和星系出现

CEERS调查是广泛的，还有很多东西需要探索。来自缅因州沃特维尔科尔比学院的团队成员戴尔·科切夫斯基和他的团队很快在数据中发现了另外一对小黑洞。第一个是在星系CEERS 2782中，最容易被发现。没有任何尘埃遮挡韦伯的视野，所以研究人员可以立即确定它的黑洞在宇宙历史上是什么时候存在的——在大爆炸后11亿年。第二个黑洞位于星系CEERS 746中，存在时间稍早一些，在宇宙大爆炸后10亿年。它明亮的吸积盘，一个由气体和尘埃组成的环，围绕着它的超大质量黑洞，部分仍然被尘埃笼罩。科切夫斯基解释说:“中心黑洞是可见的，但尘埃的存在表明它可能位于一个也在疯狂地泵出恒星的星系中。”

就像CEERS 1019中的黑洞一样，这两个黑洞也是“轻量级”的——至少与之前已知的这些距离的超大质量黑洞相比。它们的质量只有太阳的1000万倍。研究人员早就知道，早期宇宙中一定存在质量较低的黑洞。韦伯是第一个能够如此清晰地捕捉到它们的天文台，”科切夫斯基补充说。“现在我们认为低质量黑洞可能到处都是，等待被发现。”在韦伯之前，这三个黑洞都太微弱而无法被探测到。芬克尔斯坦补充说:“用其他望远镜，这些目标看起来像普通的恒星形成星系，而不是活跃的超大质量黑洞。”

一个研究韦伯宇宙演化早期释放科学(CEERS)调查数据的团队已经确定了七个星系，这些星系在宇宙只有5.4亿到6.6亿年的时候就存在了。上面显示了一些证据:三条线以相同的顺序出现——在每个光谱中，一条氢线紧跟着两条电离氧线。这种模式的落点揭示了每个星系的红移，向研究人员展示了它们发出的光是在多久以前发出的。CEERS 24和CEERS 23发出的光是在133亿年前，CEERS 3发出的光是在132亿年前。韦伯不仅是第一个提供这些星系图像的人，而且还提供了精确、非常详细的数据，即揭示它们组成的光谱。德克萨斯大学奥斯汀分校CEERS研究员Seiji Fujimoto解释说:“有些星系在以前的深场中没有被探测到，比如哈勃太空望远镜的开创性图像。”“这组星系，以及我们未来发现的其他遥远星系，可能会改变我们对整个宇宙历史中恒星形成和星系演化的理解。”来源:NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)， Steve Finkelstein (UT Austin)， Seiji Fujimoto (UT Austin)， Pablo Arrabal Haro (NSF NOIRLab)

韦伯的灵敏光谱也使这些研究人员能够测量早期宇宙中星系的精确距离，从而测量它们的年龄。研究小组成员、美国国家科学基金会NOIRLab的Pablo Arrabal Haro和德克萨斯大学奥斯汀分校的Seiji Fujimoto确定了11个存在于大爆炸后4.7亿至6.75亿年间的星系。它们不仅非常遥远，而且如此多的明亮星系被探测到也是值得注意的。研究人员推测，韦伯望远镜能探测到的星系比目前在这些距离上发现的要少。Arrabal Haro说:“我被韦伯发回的遥远星系的大量非常详细的光谱所震撼。”“这些数据绝对令人难以置信。”

这些星系正在快速形成恒星，但它们的化学成分还不如离家更近的星系丰富。“韦伯是第一个探测到这些星系的，”藤本解释说。他补充说:“这组星系，以及我们未来可能发现的其他遥远星系，可能会改变我们对整个宇宙历史中恒星形成和星系演化的理解。”

这些只是CEERS调查的首批突破性发现。芬克尔斯坦说:“到目前为止，对早期宇宙中物体的研究主要是理论上的。”“有了韦伯，我们不仅可以看到极端距离的黑洞和星系，我们现在可以开始精确地测量它们。这就是这台望远镜的巨大力量。”在未来，韦伯的数据也可能被用来解释早期黑洞是如何形成的，修正研究人员关于黑洞在宇宙历史的前几亿年里是如何生长和演化的模型。

几篇关于CEERS调查数据的论文已经被《天体物理学杂志通讯》接受:“CEERS发现大爆炸后570myr的吸积超大质量黑洞:确定由Larson领导的大质量z > 6类星体的祖先”，“隐藏的小怪物:由koceevski领导的“用CEERS光谱识别z > 5处的低质量，宽线AGN”，由Arrabal Haro领导的“在z?8?10处的CEERS nircam选择的星系的光谱确认”，以及由Fujimoto领导的“用JWST/NIRSpec对nircam选择的z > 8候选星系的CEERS光谱确认:其性质的初步表征”。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯望远镜将解开太阳系的谜团，观测其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是一个国际化的人美国国家航空航天局(NASA)及其合作伙伴欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(Canadian Space Agency)共同领导了这一项目。