2023年6月10日，《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)发表了以美国麻省理工学院和瑞士苏黎世联邦理工学院科学家领衔的国际团队利用韦布空间望远镜（JWST）对红移为6.32的类星体J0100+2802开展的红外波段成像和光谱观测结果，证实该类星体中心确实存在约百亿倍太阳质量的超大质量黑洞（Eilers et al. 2023, ApJ, 950, 68）。该类星体是北京大学吴学兵教授领衔的团队在约10年前利用中国科学院云南天文台丽江2.4米望远镜发现的，发光强度是太阳的430万亿倍，是宇宙早期发光最亮的类星体。吴学兵团队利用近红外波段后随光谱观测发现该类星体中心存在约120亿倍太阳质量的黑洞，在宇宙大爆炸后只有8亿年的时候就存在质量如此之大的黑洞，对宇宙早期星系和黑洞的形成和演化理论提出了挑战。该发现在2015年2月26日作为封面推荐论文发表于Nature（Wu et al. 2015, Nature, 518, 512），论文至今被引用590次，成果入选2015年中国科学十大进展和高等学校十大科技进展。
图1: 韦布空间望远镜（JWST）概念图（来自nasa.org）
2022年8月22日，发射升空仅8个月的6.5米韦布空间望远镜（图1）对类星体J0100+2802进行了近10小时的观测。通过测量红移至红外波段的Hβ发射线性质（图2的下图），得出该类星体中心黑洞质量确实约为一百亿太阳质量，从而证实了吴学兵团队当初在近红外波段观测红移后的MgII发射线所得出的黑洞质量大小。麻省理工学院团队在2015年和2016年还分别利用在智利的8米甚大望远镜（VLT）和6.5米麦哲伦望远镜（Magellan）对该类星体重复进行了约17小时的近红外波段光谱观测（图2的上图），通过测量红移至近红外波段的MgII和CIV发射线性质也得到了类似的黑洞质量结果。
图2:上图为地面甚大望远镜和麦哲伦望远镜对该类星体观测得到的近红外波段光谱及CIV和MgII发射线轮廓，
下图为韦布空间望远镜得到的红外波段光谱和Hβ发射线轮廓(来自Eilers et al. 2023)。
该国际团队还利用韦布空间望远镜对类星体J0100+2802进行了三个红外波段高空间分辨率成像观测（图3），利用比哈勃空间望远镜空间分辨率还高两倍的图像也没有发现该类星体存在多个像，从而基本排除了该类星体极高的发光强度来自于前景星系对类星体产生的强引力透镜效应从而放大其发光强度的可能性（可能性低于千分之二），证实其发光强度来自于类星体本身。
图3: 韦布空间望远镜对该类星体在三个不同红外波段（从上到下分别为1.15、2.00、3.56微米）的观测图像、点扩散函数（PSF）模型图像及二者相减后的归一化残差，虚线圆圈代表0.8角秒直径(来自Eilers et al. 2023)。
尽管近十年来高红移类星体的数目已增加很多，但类星体J0100+2802还是迄今为止发现的宇宙早期发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体，吴学兵团队的这一纪录仍保持至今。这一黑洞质量巨大的极亮类星体在宇宙早期究竟是如何形成的？仍有待于科学家们继续探索来寻找答案。
相关论文:
Eilers, A. et al. 2023, Astrophysical Journal, 950, 68 （https://doi.org/10.3847/1538-4357/acd776）
Wu, X.-B. et al. 2015, Nature, 518, 512 （https://doi.org/10.1038/nature14241）
