韋伯望遠鏡發現大爆炸後9億年並肩存在的兩個巨型黑洞

詹姆斯・韋伯太空望遠鏡發現，在宇宙尚未滿10億歲時，有兩個超大質量黑洞並肩吞噬物質。它們構成迄今辨識出的最古老緊密類星體對，彼此間距甚至小於太陽與銀河系中心之間的距離。

這對黑洞之所以重要，是因為沒有人預期能在如此早期觀測到這樣的系統。兩個黑洞的質量各自相當於太陽的數億至數十億倍，而在那個時代找到兩個距離如此接近的黑洞，其機率遠高於現有早期宇宙模型的預測。

這個系統的正式名稱為J1602+4228AB。其夏威夷名稱Nāpōwawāʻenakaulua，由夏威夷大學夏威夷語學院的拉里・木村（Larry Kimura）透過A Hua He Inoa命名計畫創造，意為「在熾熱光輝中將能量重生於宇宙的兩個深不可測、強大而黑暗的天體」。這項由NSF NOIRLab的西爾維婭・歐諾拉托（Silvia Onorato）領導的研究，刊登於《The Astrophysical Journal Letters》。

我們如今所見的光線，是在大爆炸後約9億年離開這對黑洞的。較大的黑洞質量約為太陽的15億倍，較小者約為4億倍；兩者相距約18,100光年，約為銀河系直徑的五分之一。

類星體是指正在吞噬大量氣體的超大質量黑洞，以至於其周圍物質的亮度超越宿主星系中的每一顆恆星。這一對中的兩個成員，皆正以愛丁頓極限或略高於該極限的速率吸積；所謂愛丁頓極限，是高溫氣體向外推送的輻射力與向內拉扯氣體的重力彼此平衡時的速率。因此，這兩個黑洞都正以物理定律通常允許的最快速度成長。

歐諾拉托在NOIRLab公告中表示：「對於為何宇宙在如此早期就能存在單一一個這種巨型類星體，至今尚無定論性的理論解釋，更遑論是兩個。」

韋伯與雙子星如何發現第二個類星體

這對類星體現身於Aether巡天計畫；這項韋伯計畫由NSF NOIRLab及國際雙子星天文台的埃馬努埃萊・保羅・法里納（Emanuele Paolo Farina）領導。該巡天以韋伯的近紅外光譜儀觀測宇宙最初10億年間的200個類星體，約占該時期所有已知類星體的43%。這台儀器並非只記錄一條光譜，而是為每個目標周圍天空的每一小塊區域分別記錄光譜。

在逐一目視檢查每個資料立方體時，團隊注意到，已知類星體J1602+4228在幾乎完全相同的距離上有一個黯淡伴星。在搜尋的199個巡天視場中，它是唯一具有寬發射線的伴隨類星體；這是黑洞附近高速運動氣體的特徵。韋伯對這個視場觀測了約45分鐘。

這個伴星約比主要類星體暗19倍，兩者在天空中的角距略小於1角秒，約等於從4公里外看見一枚硬幣的寬度。為確認它是獨立天體，團隊轉而使用位於夏威夷莫納克亞山的雙子星北望遠鏡之雙子星近紅外光譜儀，並將狹縫對準，使其一次涵蓋兩個類星體。這個黯淡類星體的曝光時間超過3小時。歐諾拉托說：「莫納克亞山上空極為清澈、銳利，因此我們只用兩個夜晚便成功取得資料。」第三件儀器雙子星多目標光譜儀，則補上了來自黯淡伴星的可見光資料。

兩個類星體的紅移，衡量宇宙膨脹將其光線拉伸程度的指標，僅相差約每秒15公里，顯示它們與地球的距離實質上相同。

對如此古老的黑洞而言，究竟多近才算近

這僅是宇宙黎明、也就是首批星系出現時代所發現的第三對類星體，且是其中距離最緊密的一對。此前最緊湊的早期類星體對J2037-4537，相距約24,000光年，在宇宙歷史上約晚1億年的時期被觀測到。另一個處於相近時代的候選系統J1215-0148，跨度約39,000光年，天文學家至今仍在爭論它是否為一對真正的類星體。

作為比較，太陽與我們銀河系中心黑洞人馬座A*的距離約為26,000光年。人馬座A*的質量約為400萬個太陽。這對系統中較大的黑洞質量約為其380倍，而它在宇宙年齡約為目前6.5%時便已達到這一質量。

團隊也探討了像這樣的一對系統理應出現得多頻繁。類星體在大尺度上聚集情形的測量結果，若外推至這對系統的尺度，預測此類鄰近天體的數量遠低於199個視場中出現一個的機率。即使團隊採用更低的亮度門檻，實際觀測到的這一對仍比那些外推結果高出100至1,000倍。

這對系統目前尚未解決的問題

第一個尚待釐清的問題，是它們是否真的是兩個類星體。位於我們與單一遙遠類星體之間的星系，可能使其光線彎曲並產生同一物體的兩個影像，這種效應稱為重力透鏡。光譜證據則不支持這個解釋。兩個類星體的光譜斜率不同，塵埃造成的減光程度也不同；在其氧發射線中觀察到的高速氣體外流，形狀亦不相同，而透鏡效應無法改變這些形狀。因此，團隊暫時傾向認為這是真實的一對。然而，哈伯存檔影像顯示，在較暗類星體附近可能存在一個前景星系。作者寫道，單憑光譜無法排除透鏡效應，而完整的透鏡模型仍在準備中。

第二項限制涉及質量本身。由單一光譜推導出的黑洞質量，帶有約兩倍的系統性不確定性，因此15億與4億這兩個數字只是估計值，而非精確測量。

第三項限制關乎這項超額現象。聚集預測是在遠大得多的尺度上測得，必須大幅外推至低於其驗證範圍的尺度；作者表示，在這個範圍內理論極度不確定。一對系統無法顯示這類系統是否普遍，或這一對是否只是罕見的巧合。

就個別而言，這兩個黑洞並未違反任何規則：它們的質量與吸積速率，都與同一時代的孤立類星體相符。仍未獲解釋的是，任何黑洞如何能如此迅速成長至10億個太陽質量，以及為何兩個黑洞能在如此接近的位置做到這一點。

為何星系合併或可解釋這一對系統

團隊提出，Nāpōwawāʻenakaulua標示著早期宇宙物質密度的極端高峰，即碰撞中的星系將大量氣體推向其中心的地方。那些氣體會同時為恆星形成及兩個黑洞提供燃料，這可解釋為何兩個類星體會一同被點亮。

若兩個宿主星系正在合併，黑洞最終應會向合併後星系的中心沉降，形成一對受束縛系統，並在遙遠的未來合併。像這樣的黑洞對，正是被認為會產生NANOGrav合作團隊所報告之微弱重力波背景的過程早期階段。

讀者關於這對類星體的常見問題

什麼是類星體對？

類星體對是兩個正在活躍吸積的超大質量黑洞，在空間中彼此距離很近，通常是因為其宿主星系正在相互作用或合併。在大爆炸後的最初10億年內，人們只發現了極少數此類系統。

Nāpōwawāʻenakaulua有多遠？

其光線在大爆炸後約9億年離開這對黑洞，對應的紅移約為6.08。這些光線歷經近130億年才抵達韋伯。

天文學家如何測量如此遙遠黑洞的質量？

他們測量繞黑洞運行的氣體所發出氫發射線的寬度。軌道運動越快，發射線越寬；再結合類星體的亮度，便可由線寬估計質量。這類單一光譜估計值約有兩倍的不確定性。

第二個類星體會不會是重力透鏡造成的幻象？

有這種可能，但被認為機率較低。兩者的光譜在多個方面存在差異，而透鏡效應本不應產生這些差異，尤其是其氣體外流的形狀；不過，哈伯影像中已發現一個候選前景星系。詳細的透鏡模型將檢驗這個想法。

下一步是什麼

韋伯於2025年4月2日記錄下這項發現的資料，雙子星後續觀測持續至今年，論文則於2026年11月10日發表。歐諾拉托的團隊目前正準備研究兩個類星體之間氣體運動的動力學分析，並根據哈伯存檔影像建立透鏡模型。另一篇由義大利國家天文物理研究所的羅伯托・德卡利（Roberto Decarli）領導的論文，將報告整個Aether巡天中發現的伴隨星系；這是邁向統計樣本的第一步，可用以判斷像這樣的黑洞對究竟普遍還是罕見。

參考文獻：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

標籤: 天文學, James Webb Space Telescope, JWST, 黑洞, Gemini North, Nāpōwawāʻenakaulua