歐幾里得望遠鏡一年發現的古代類星體超過科學界十年的總和

過去十年間，要確認一個由黑洞驅動的類星體——該黑洞在宇宙年齡不到十億年時，質量就已達到十億太陽質量——需要動員多座望遠鏡協力，並耗費數月進行後續光譜觀測。這些努力累積的總成果，大約只有十個已確認的天體。而在歐幾里得望遠鏡開始科學觀測的第一年，它就確認了十二個。

這個數字是萊頓大學博士生楊大明與其同事所發表論文的核心成果，該論文刊登於《天文學與天體物理學》期刊，是該期刊一期41篇論文特刊的一部分，這些論文皆利用了歐幾里得望遠鏡第一批四分之一天區的觀測數據。完整的目錄包含了31個來自宇宙最早時期、先前未知的類星體——這些古老的光源，每一個都燃燒著約一兆顆太陽的輸出能量，由在宇宙還只是目前年齡一小部分時就已存在的超大質量黑洞所驅動。

目錄中距離最遠的兩個天體，編號為EUCL J172902.75+641018.1和EUCL J125308.55+705432.3，其紅移值分別為7.77和7.69，使它們成為在任何巡天觀測中，被單獨解析出的最遙遠天體之一。它們的光線出發時，宇宙大約只有6.7億歲。

歐幾里得如何辨識出看似普通恆星的物體

探測古老的類星體，是個大海撈針的問題。在極遠的距離上，類星體的紫外線輻射因宇宙膨脹而被拉伸到近紅外波段，這種偏移使其特徵譜線落在大多數地面儀器難以有效觀測的波長。更實際的問題是，其結果是這些物體呈現暗淡、偏紅的外觀，在標準的可見光影像中，幾乎無法與距離更近、數量遠更多的M型矮星區分。在歐幾里得之前，大多數的探測都依賴於比對數個不同深度與濾鏡覆蓋範圍的巡天資料，然後優先為大型望遠鏡上昂貴的觀測時間挑選候選天體。

歐幾里得同時解決了這兩個問題。它的近紅外光譜儀與光度計（NISP）覆蓋了0.95至2.0微米的波長範圍，正好是紅移z≥7的類星體其萊曼-α發射線偏移後的位置，同時還能捕捉寬波段測光數據，用以進行初步的候選天體篩選。該巡天計畫的觀測面積——最終目標是覆蓋三分之一的天區，達到地面望遠鏡無法企及的深度——所產生的統計體積，足以容納這些最稀有物體的有用樣本。歐空局研究員、歐幾里得團隊成員安東尼奧·拉·馬爾卡表示：「它們的原始光線既暗淡，又容易與離我們更近的恆星光芒混淆。」

楊的團隊對Q1數據應用了光度篩選演算法，識別出符合紅移z≥7類星體特徵的候選天體，並直接使用NISP的光譜模式進行確認，無需另行進行地面觀測活動。與過去的巡天方法相比，其效率提升，就是十年累積的成果與一年內確認十二個天體之間的差距。

紅移7這個門檻的真正意義

紅移量化了宇宙自某個光子發射以來的膨脹程度。紅移z=7對應於宇宙線性大小約為目前的八分之一，換算成回溯時間約為130億年，也就是大爆炸後約6.7億年的宇宙年齡。在那個時刻，宇宙正處於再游離化的尾聲，這是第一批發光天體的紫外線輸出，將早期宇宙中保持不透明狀態的氫氣游離化的轉變過程。

紅移z≥7的類星體是再游離化的主要驅動力之一，但它們同時也是個悖論：它們需要超大質量黑洞在宇宙歷史的某個時間點，成長到數十億太陽質量，而根據標準的結構形成模型，那時甚至幾乎沒有足夠的時間形成第一批恆星。我們銀河系中心的黑洞人馬座A*，質量約為四百萬太陽質量，是花了整個宇宙138億年的時間才累積起來的。而驅動歐幾里得目錄中那些z≥7類星體的黑洞，質量則大了數百到數千倍，卻在不到5%的相同時間內累積了這些質量。

「這些怪物——質量是我們太陽的數十億倍——不知何故，在宇宙還處於嬰兒期時就已經存在了。」楊的指導教授、任職於加州大學聖塔芭芭拉分校的約瑟夫·亨納維說，他也是該論文的共同作者。在僅僅一年的數據中就發現了超過十個這樣的怪物，這表明它們並非統計上的異常：這個樣本現在已經大到足以被視為一個族群來研究。

這份目錄未能解決的問題

更多的確認探測結果強化了量化論據，但尚無法區分各種提出的形成機制。主要的候選機制包括：持續的超愛丁頓吸積，即氣體以超過標準輻射壓極限的速率落入種子黑洞，並持續足夠長的時間以累積出觀測到的質量；原始巨大氣體雲直接塌縮成遠比任何恆星殘骸都重的種子黑洞；以及在第一代超大質量黑洞啟動之前，密集的早期星團快速合併。每一種機制都面臨獨立的觀測限制，而歐幾里得的數據目前還不包含測試這些機制所需的宿主星系特徵描述。

楊的論文指出，這31個天體的目錄代表了一個更大潛在族群中較明亮的部分，也就是那些足夠明亮，並且紅移與天區位置組合恰當，能從Q1數據中清晰顯現出來的天體。完整性的模型將需要依賴仍在持續觀測中的歐幾里得廣域巡天計畫。所有31個天體都有一個實際的限制條件：對於測試形成模型至關重要的宿主星系特徵描述，需要比該巡天本身提供的數據更深的觀測。海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的西爾維亞·貝拉迪塔對目錄中第二遙遠的天體進行了後續光譜觀測；計劃中的地面觀測活動將處理整個樣本。

關於歐幾里得古老類星體的常見問題

類星體到底是什麼，它的亮度為何重要？

類星體是一個星系的核心，由一個正在積極吸積周圍氣體的超大質量黑洞驅動，發出極其明亮的光芒。當物質在吸積盤中升溫時，它會以電磁波譜各波段輻射，其亮度足以蓋過宿主星系中所有恆星的總和。在本文報告的距離上，只有中心引擎是可探測的；宿主星系則過於暗淡和緻密而無法解析。正是這種極端的亮度，讓歐幾里得能夠探測到來自130億光年外的物體。

為什麼這些物體被描述為宇宙學的難題？

標準的黑洞成長模型設定了一個自然的上限，即所謂的愛丁頓極限。一個恆星質量的種子黑洞——恆星死亡後能留下的最大黑洞——即使以這個速率持續吸積，也無法在大爆炸之後、這些類星體存在的時代之間，達到十億太陽質量。在單一年的巡天中發現超過十個，這意味著它們足夠普遍，以至於沒有任何單一的奇特事件可以解釋；其形成機制必須能夠大規模運作。

歐幾里得與先前針對這類物體的巡天相比如何？

歐幾里得廣域巡天最終將覆蓋約14,000平方度的天區，其近紅外靈敏度是地面巡天在相同面積上無法比擬的。上一代的巡天，包括史隆數位巡天和UKIRT紅外深空巡天，在超過十年的聯合觀測中，發現了先前大多數的z≥7類星體目錄。歐幾里得的NISP儀器同時進行了相當於初步篩選和光譜篩選的工作，將過去需要分開進行的觀測活動壓縮成一次觀測。

這個研究計畫的下一步是什麼？

計劃對完整的31個天體樣本進行地面後續光譜觀測，以精確測量紅移並描述宿主星系特徵。隨著歐幾里得廣域巡天累積更多的天區面積，後續的數據發布將擴充這份目錄。來自歐幾里得的Q2數據——在26小時內捕捉了銀河系核球區域的6000萬顆恆星——已於六月底發布；後續的發布將增加更多與高紅移類星體搜尋相關的河外星系天區。楊寫道：「透過發現並研究它們，我們可以更好地理解這些巨大的系統是如何如此快速形成並成長的。」

參考文獻：Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

標籤: 天文學, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars