在遥远的宇宙中存在着超大质量黑洞，这一观测结果非但没有给天体物理学家提供揭秘宇宙的答案，反而引发了更多的困惑。首先，在宇宙诞生之初，这些超大黑洞是如何在短时间内增长到如此巨大的？其次，更令人费解的是，在近邻星系的观测数据中表明，超大黑洞与它们所在的寄主星系之间存在显著的质量相关性。然而星系和黑洞的尺寸差别很大，两者之间的联系如何建立起来？是黑洞先演化还是星系先演化？这是一个宇宙尺度规模的“鸡生蛋还是蛋生鸡”的问题。
由北京大学科维理天文与天体物理研究所（PKU-KIAA）博士后研究员Masafusa Onoue（尾上匡房）博士，以及东京大学科维理宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）博士后研究员Xuheng Ding （丁旭恒）博士和John Silverman教授联合领导的国际研究团队，开始通过詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）探索这些问题。JWST于2021年12月发射，目的是观察宇宙早期阶段的寄主星系和黑洞，从而研究它们是如何形成并相互联系的。
类星体很亮，但是它们的寄主星系却相对较暗，这使得研究人员在闪耀的类星体中探测其寄主星系微弱的星光变得非常具有挑战性，尤其是当它们离我们特别遥远的时候。丁旭恒表示：“在红移 6 的距离研究类星体的宿主星系，感觉就像戴着雾蒙蒙的眼镜去寻找一场绽放的烟花表演里的一只萤火虫。寄主星系的星光相比类星体往往非常暗，而人类望远镜的探测分辨率与灵敏度等观测条件在过去非常有限，这给高红移类星体寄主星系的研究带来重重困难。”在JWST投入使用之前，哈勃空间望远镜能且最远观测到过来自100亿年前时候的类星体寄主星系的星光。值得注意的是，当前的理论模型预测宇宙目前的年龄在138亿年左右。
JWST在红外波段下的超强灵敏度和超清晰成像能力使研究人员能够将这些研究追溯到类星体和星系首次形成的时期。JWST开展常规化运行仅几个月后，该研究团队观测了两颗类星体HSC J2236+0032和HSC J2255+0251，它们的红移分别为6.40和6.34，对应宇宙年龄大约在8.6亿年。这两颗源最初是在夏威夷Maunakea山顶上的8.2米Subaru望远镜的深空巡天项目中发现并认证的，其类星体相对较低的亮度将使得探测寄主星系的任务变得相对容易。
这两颗类星体的图像是通过JWST的NIRCam仪器在3.56和1.50微米的红外波段下拍摄的。在精确图形建模并摘除类星体的闪耀光线后，寄主星系的图像清晰可见（图1）。该团队还使用JWST的NIRSpec设备为J2236+0032拍摄了光谱数据，并从中观察到寄主星系中恒星的特征谱线，进一步支持了类星体中寄主星系的存在。该研究打破了探测类星体寄主星系星光探测的最远记录。
图1: JWST NIRCam 3.6μm 观测到的HSC J2236+0032 （Credit: Ding, Onoue, Silverman et al.），从左到右分别是JWST的类星体所在视场图、类星体图以及摘除类星体后呈现出的寄主星系图。 图像尺度比例以光年为单位显示于每个面板中
通过对寄主星系光度的分析，研究人员发现它们是非常庞大的星系，其恒星质量分别是太阳质量的1300亿和340亿倍。通过从NIRSpec光谱中测量类星体周围湍流气体的速度，科学家推断出驱动类星体的黑洞也是巨大的，它们的质量分别是太阳的14亿和2亿倍。这些宇宙早期的黑洞与寄主星系的质量关系与我们近邻星系的情况相似，这表明大爆炸后约8亿年内黑洞与寄主之间的质量关系已经建立起来。 “自从在日本国立天文台（NAOJ）攻读博士学位以来，我一直深入参与 HSC-SSP 的巡天项目。我对我们探测到Subaru设备所发现的类星体的寄主星系星光这一成果感到非常自豪。”尾上匡房说。
图2: 詹姆斯·韦布空间望远镜（Credit: NASA/Chris Gunn）
丁旭恒、尾上匡房、John Silverman及其该项目的合作者们将继续使用计划中的JWST第一轮观测进行更大样本的研究，这些成果将用于限制黑洞与寄主星系共同演化模型。该团队最近还获得了JWST下一年观测计划的观测时间，将使用更多波段的信息来详细地研究J2236+0032的寄主星系的相关特性。
