类星体 J0100+2802 的黑洞阻止了恒星形成

超大质量黑洞作为“宇宙捕食者”，不仅能抑制其宿主星系内的恒星形成，还能波及数百万光年外的邻近系统。亚利桑那大学（University of Arizona）领导的一项新研究表明，活跃黑洞（即类星体）发出的强烈辐射会加热并驱散恒星诞生所必需的冷分子氢气。这项发表在 2025 年 12 月 3 日《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上的发现表明，星系演化是一个相互关联的“集体行动”，而非孤立的过程，这从根本上改变了我们对早期宇宙成长的认识。

这项由Steward Observatory博士后研究员 Yongda Zhu 牵头的研究，利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）前所未有的灵敏度来观测遥远的宇宙。通过检查目前发现的质量最大的黑洞之一周围的环境，团队确定了一个恒星形成受到显著抑制的“抑制区”。这一发现为为什么一些早期星系尽管身处富含气体的环境中，却显得“死亡”或处于静止状态提供了一个寻找已久的解释。

什么是类星体 J0100+2802，它为什么如此重要？

类星体 J0100+2802 是一个超亮活跃星系核，距离地球 128 亿光年，由一个质量为太阳 120 亿倍的超大质量黑洞驱动。该天体出现在大爆炸后仅 9 亿年，具有至关重要的意义，因为其极端亮度（高达太阳的 420 万亿倍）就像一座宇宙灯塔，让天文学家能够探测再电离时代期间星系际介质的状态。

对 J0100+2802 的观测是了解宇宙婴儿时期的一个窗口，为研究黑洞与星系的共同演化提供了一个实验室。由于这个黑洞质量巨大且极其活跃，它成为了辐射反馈的一个极端案例研究。当物质螺旋进入事件视界时释放出的能量产生了一个由气体和尘埃组成的旋转圆盘，其亮度超过了整个宿主星系，使其在广袤的时空中清晰可见。

J0100+2802 的重要性在于其打破纪录的各项指标及其在宇宙时间线中的位置：

• 质量：约 120 亿倍太阳质量。
• 亮度：相当于 420 万亿个太阳。
• 红移：z = 6.30，追溯到宇宙诞生不到 10 亿年的时候。
• 距离：距离地球 128 亿光年。

超大质量黑洞会充当宇宙捕食者吗？

超大质量黑洞通过发出强烈的辐射，剥夺邻近星系形成恒星所需的冷气体，从而充当宇宙捕食者。这一过程被称为星系际反馈，涉及类星体在“吞噬”局部物质的同时，释放出大量的能量，破坏周围宇宙网的生态平衡，从而有效地剥夺了邻近星系的生长潜力。

传统的星系演化模型认为，由于星系之间距离遥远，它们在很大程度上是相互独立的。然而，Yongda Zhu 及其在亚利桑那大学的团队发现，单个超活跃黑洞的影响范围可以延伸至至少 100 万光年。在这个半径范围内，类星体的辐射会将分子氢（恒星的主要燃料）分解成电离状态，使其无法在重力作用下塌缩形成新的恒星体。

这种“捕食”行为在局部星系生态系统中产生了连锁反应。就像陆地环境中的顶级掠食者一样，中心的类星体决定了周围“物种”（星系）的数量和生长。通过阻止邻近系统中气体的冷却，黑洞确保了这些星系保持微小且发育不足，实际上提前终止了它们的演化进程。

JWST 数据如何显示类星体附近受抑制的恒星形成？

JWST 数据通过测量 O III（双电离氧）排放来揭示受抑制的恒星形成，这种排放是近期恒星活动的化学追踪剂。通过使用 NIRCam 和 NIRSpec 仪器，研究人员观察到，在类星体 J0100+2802 方圆 100 万光年范围内的星系，其 O III 信号相对于紫外线显著减弱，表明缺乏新恒星的诞生。

詹姆斯·韦布空间望远镜对这一发现至关重要，因为宇宙的膨胀已将这些早期星系发出的光拉伸到了红外光谱中。以前的观测站（如哈勃）缺乏在如此极端的距离探测电离氧微弱信号的红外灵敏度。JWST 提供的高分辨率数据使研究人员能够区分出类星体的光与研究中确定的周围 117 个星系的微妙特征。

有趣的是，当团队在类星体附近看到的星系数量少于预期时，最初以为望远镜出现了故障。“我们很困惑，”Zhu 说，“然后我们意识到，星系可能确实存在，但很难探测到，因为它们最近的恒星形成被抑制了。”这种抑制由较低比例的 O III 排放所证实，这证实了来自黑洞的辐射反馈已经延伸并破坏了这些邻近系统中的冷气云。

促成这项研究的关键技术因素包括：

• NIRCam 成像：捕获了早期宇宙中星系的高分辨率图像。
• NIRSpec 光谱分析：能够精确测量氧和氢等化学元素。
• 红外灵敏度：克服了阻碍以前望远镜观测的红移障碍。
• 广阔视野：绘制了方圆 100 万光年内的星系分布图。

这项研究的影响延伸到了我们所在的银河系（Milky Way）。天文学家认为，我们的中心黑洞人马座 A*（Sagittarius A*）在遥远的过去可能也经历过类星体阶段。了解像 J0100+2802 这样古老的类星体如何影响其周围环境，有助于科学家拼凑出我们本星系群的历史以及宇宙网更广泛的结构。

展望未来，亚利桑那大学团队计划将他们的研究扩展到其他类星体场，以确定这种“捕食”行为是否是所有超大质量黑洞的普遍特征。如果这些发现在早期宇宙的多个区域都成立，科学家将需要大幅修改他们关于宇宙第一批结构如何形成的模拟。詹姆斯·韦布空间望远镜将继续作为这些调查的主要工具，剥开时间的层层迷雾，揭示宇宙中最剧烈的天体如何塑造了我们今天观察到的宁静星系。