迄今为止！最遥远的类星体：以超大质量黑洞为星核的活跃星系

天文学家们发现了迄今为止最遥远的类星体，与在这个距离上观察到的其他类星体一样，它同时展现了一个“巨大”的问题：在它存在的时空里，该活动星系核的供能黑洞实在太大了。

根据该类星体在宇宙空间中的位置将其命名为J031343.84−180636.4（以下简称为J0313）。它是通过泛星计划观测发现的一个天体。泛星计划（Pan-STARRS），全称全景巡天望远镜和快速反应系统，它使用1.8m望远镜采集星空深处的图像，通过不同滤镜得到关于星空物体颜色的准确信息。超远距离的类星体在红光范围表现明亮，同时在蓝光波长范围内发出较少的光，这样的特性使得他们在采集的群星图像中更容易被发现。

当J0313被发现时，通过更大的麦哲伦望远镜和双子望远镜进行频谱分析证实了其与地球之间的无限距离：我们所接收到的从这个类星体发出的光穿越了至少130亿年，意味着我们看到的是宇宙大爆炸后6.7亿年的景象。

图解：类星体J0313-1806是迄今为止发现的最遥远的类星体，它比整个银河系要明亮1000倍，是我们的太阳的亮度的十万亿倍。图为类星体活动系星核及周围物质构成的示意图。星核为超大质量黑洞，是太阳质量的16亿倍。围绕中心体转动的周围是由弥散物质组成的炙热的吸积盘，发射着电磁能量。吸积盘外围的风流时间缓慢，只有正常光速的20%。它附近的宿主星系经历着剧烈的新生和重塑，比银河系新生恒星的速度快200倍。图源：NOIRLab/NSF/AURA/J.da Silva

类星体是一类活动星系。每个巨大的星系的核心都有一个超大质量黑洞，有些黑洞仍在活跃地吞噬周围的气体、尘埃和星体。这些物质在其周围形成巨大炙热的吸积盘，发出强烈的光芒甚至让剩下整个星系都黯然失色。

图解：黑洞系统示意图。喷流来自于吸积盘。图源：sina

为了让物质更加紧密（压缩密度），吸积盘的磁场形成类似龙卷风的双涡，将物质拉拢到黑洞附近然后爆裂喷射而出。当这些喷流恰好大致指向我们所在的空间，使得我们观察到这个星系格外耀眼。这种类似恒星的天体就称为类星体。

图解：一个被吸积盘和磁晕包围的超大质量黑洞，向相反的方向发射强大的喷流。图解:NASA/CXC/M. Weiss

考虑到我们观察到J0313在这样遥远的距离上依旧如此明亮，天文学家测量了它的总光度——提示它释放出多少能量——是太阳的36万亿倍。

这实在是太….耀眼了！比我们的银河亮足足3000倍！

那么给这一切供能的超大黑洞的情况是怎样的呢？麦哲伦望远镜对J0313进行的深光谱拍摄进一步揭示了这个黑洞的质量。围绕着吸积盘旋转的物质，有一部分正在向周围逃逸，因此（根据多普勒效应），类星体发出的光线的光谱向红光光谱方向移动，而向着我们扩散的部分则发生蓝移。这种颜色的拖尾效应展现的总量可以用来确定黑洞的质量，科学家们得到的结果震撼人心：这个黑洞的质量有太阳的16亿倍。

我们知道很多具有相似质量的黑洞，有些甚至更大，但都经历了数十亿年的时间扩展到那样的大小。目前所知的极限就是J0313类星体的黑洞，它年轻得只有6.7亿年，却是如何快速扩张到这个尺度的呢？

这是宇宙学中一个仍在探索的问题。我们见过其他大约也在此距离上的类星体，它们也拥有巨大的黑洞，这些黑洞比我们所能认知的在有限时间（就银河系的存在长度而言）里尽可能生长地大得多。

图解：超大质量黑洞周围物质组成的吸积盘吹出的气体风。图源：NASA/JPL-Caltech

问题是，黑洞吞噬物体的速度是有限的。物质首先在其周围形成圆盘，这个吸积盘能量很高、极端炙热，它发出的辐射击中向黑洞坠落的物体然后朝周围喷射。给定质量的黑洞吞噬物体的速度由其发射的辐射所平衡，这一特性被称为爱丁顿极限。如果黑洞吸收速率过快，就是“自取灭亡”，失去它的“食物来源”。

这就意味着想要迅速变成一个超过太阳质量十亿倍的黑洞是很困难的，尽管如此，天文学家们也试图提出了一些可解释的理论。也许小一点的黑洞（太阳质量的百千或千千倍）——种子黑洞——在星系新生初期迅速生长并融合，这样的解释为此现象提供了一定可能性，但这之后仍然需要黑洞不停地极速扩张。

图解：天鹅座A就是一个喷流的活跃星系核的例子，这两束射线在此图的X射线(蓝色)、射电(红色)和可见光(恒星)中清晰可见，喷射成数万光年宽的巨大裂片。图源：X-ray:NASA/CXC/SAO; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/AUI/VLA

然而，这个过程具体是怎么进行的尚不可知。我们对这个距离上的类星体掌握甚少（宇宙无垠，我们从未探测得如此深远，而要从密集的星空图像中发现它们又绝非易事），但基于我们的有限认识，这些类星体都以生长着的巨大的黑洞为星核。值得注意的是我们不否认未知空间里质量更小、能量更少的类星体的存在，但与此同时它们更加黯淡因而也更难被发现。即便我们找到了它们，证明了低质量黑洞可以形成，但眼下的“巨物”形成的原因却仍是个谜。

围绕着这个黑洞的星系在以银河系几百倍的速度不断爆裂出新星，我们称这样的星系为星暴星系。这个现象配合大质量的黑洞具有一定合理性，周围用于形成行星的物质充足，同时又能填饱中央核这个“吞吐的怪兽”。