每个星系的中心都藏着一个超大质量黑洞，包括我们的银河系。当黑洞处于活跃状态时，它会像漩涡一样吸引高温气体和尘埃。当这些宇宙物质堆积并落入黑洞时，会点亮其周围，辐射出巨量能量。最具能量的超大质量黑洞被称为类星体，它们是宇宙中最活跃和最明亮的物体之一。这些贪婪的系统吸收大量物质，发出的能量甚至可以超越整个星系的光亮。类星体的光线模式可以为科学家提供线索，帮助理解超大质量黑洞如何塑造周围的星系。
现在，麻省理工学院及其他机构的天文学家们发现了来自非常早期宇宙的闪烁类星体。科学家们将该类星体的光追溯至“宇宙黎明”，即大爆炸后850百万年。这一发现代表了迄今为止检测到的最早闪烁类星体。麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的博士后Gene Leung表示：“尽管在宇宙黎明时期发现了许多类星体，但这是我们第一次看到一个闪烁的类星体。”
该类星体的闪烁使研究人员能够确定，令人惊讶的是，古老类星体的气体和尘埃漩涡（称为吸积盘）呈现出扁平的煎饼形状，类似于现代类星体的形状。这一发现为宇宙学中的一个长期谜团增添了新的疑问：为什么超大质量黑洞在宇宙历史如此早期就存在？
物理学家们假设，扁平的吸积盘反映了相对成熟的黑洞，处于平稳状态。刚开始形成的黑洞，像早期宇宙中的黑洞，应该是更不稳定的系统，吸积盘看起来更蓬松和混乱。这种非常早期类星体周围的扁平吸积盘加深了超大质量黑洞在极短时间内如何生长和成熟的谜团。
麻省理工学院物理学助理教授Anna-Christina Eilers表示：“我认为这表明，所有黑洞在某个时刻经历的混乱、快速增长阶段实际上发生得非常早，在我们看到它们作为这些非常明亮的类星体之前。”Eilers、Leung及其同事在《自然天文学》上发表了他们的研究成果。
超大质量黑洞的质量可以是太阳的数十亿倍。这些引力巨头是大多数星系的中央“引擎”，帮助调节星系的星形成和生长。Eilers表示：“没有超大质量黑洞，星系就不会如今天这样。”长期以来，人们认为需要超过十亿年的时间才能让第一批星系稳定和成熟，因此科学家们没有预期在非常早期的宇宙中看到超大质量黑洞。
但自2000年代初以来的观察显示情况并非如此。科学家们在宇宙的头十亿年中发现了超过200个超大质量黑洞。这些天体之所以能够被探测到，是因为它们处于极为活跃的类星体阶段，发出巨大的辐射爆发，可以从130亿光年外的地球上看到。这些最早的类星体被观察到时只是光点，标志着早期超大质量黑洞的存在。然而，从这些明亮而遥远的光点，科学家们无法获取更多关于黑洞及其宇宙黎明环境的信息。为此，他们需要捕捉到类星体的“闪烁”。
Leung表示：“人们早已知道，附近宇宙的类星体可以闪烁。”闪烁源于气体进入黑洞的方式波动。类星体的闪烁告诉我们一些关于黑洞吸积盘结构的信息，以及黑洞所“吞噬”的物质类型。Leung和Eilers希望探测到早期宇宙中的闪烁类星体，以便更多地了解超大质量黑洞的形状和结构。
为了做到这一点，技术挑战不小：越远的时间和空间，物体的光显得越扭曲。这种效应是由于宇宙膨胀导致的，实际上拉伸了光，使其变为红色、波长更长的光。相同的拉伸也发生在时间上：例如，若自然发生的闪烁在几周内发生，经过数十亿光年观察时，这种闪烁可能仅在几个月内显现。
为了发现来自宇宙黎明的闪烁类星体，团队需要在红外光谱内观察遥远的宇宙，并且在许多年内进行长时间的观察。“这是我们必须克服的技术挑战，”Eilers说。“我们需要在更长的红外波长下重复收集数据。”最终，团队在NASA的近地小行星宽视场红外探测器（NEOWISE）任务收集的数据中发现了闪烁信号——这是一个扫描了整个天空约14年的空间红外望远镜。前麻省理工学院博士后Kishalay De（现为哥伦比亚大学的教员）发起了重新处理NEOWISE档案数据的项目。基于重新处理的数据，团队发掘出一个信号，来自大爆炸后仅850百万年的早期宇宙，确认这是最早的闪烁类星体。
“我们看到类星体在14年内随机闪烁，类似于蜡烛火焰的闪烁，没有固定的模式。”Leung指出。他们估计该类星体的亮度相当于120万亿个太阳，闪烁幅度约为20%，意味着亮度波动约20万亿个太阳。
研究人员还跟踪了类星体在不同波长下的光闪烁。光的波长反映出发光物质的温度。离黑洞越近的物质越热。因此，研究人员可以利用光的波长绘制黑洞周围吸积盘内物质的形状和结构。利用NEOWISE数据，团队分析类星体的闪烁，以确定环绕中心超大质量黑洞的吸积盘的形状。他们发现该盘出乎意料地薄而扁平——这一结构通常只在附近老化黑洞周围看到，这些黑洞有更长的时间来稳定和成熟。
“这直接证明了在非常早期的宇宙中，附近宇宙中观察到的相同供给过程和结构已经存在，这在之前从未见过，”Eilers说。“这意味着在更早的时间发生了一些事情，使这些系统看起来如此成熟。”Leung补充道。
团队希望能进一步向宇宙时间深处探索，捕捉到类星体更早、更不成熟的发展。这样，科学家们就能开始拼凑出形成第一批超大质量黑洞的条件。这项研究得到了NASA的部分支持。
博主点评： 这一发现不仅为我们揭示了超大质量黑洞的早期演化过程提供了重要证据，同时也挑战了现有的宇宙学模型。研究表明，超大质量黑洞在宇宙早期就可能以更成熟的形态存在，这将推动我们对宇宙形成与演变的理解，未来还有待更多的观测来解开这一谜团。