當天文學家在20世紀50年代的全天空無線電觀測中發現點狀物體時，他們並不確定如何對它們進行分類。它們是恆星、星系還是其他什麼東西？一個偉大的、新的探索領域就此開啟。這些准恆星的射電源被稱為類星體，今天我們更好地理解了它們真正的魅力所在。
類星體是活躍的超大質量黑洞，通過光線顯示出自己。氣體和塵埃圍繞着這些超大質量黑洞不斷摩擦併產生熱量和光，這些我們是可以探測到的。
目前已知的三個最遙遠的類星體則都是從2018年之後發現的–每個都位於130多億光年之外。詹姆斯-韋伯太空望遠鏡將為研究人員提供這些天體在高分辨率紅外光下的新視角。通過利用這些強大的數據，一個研究小組將完善對其黑洞質量的計算、詳細了解其宿主星系中的恆星並調查其附近的星系。更重要的是，他們的研究可能會影響我們如何看待這個宇宙的早期時代。
用NASA韋伯望遠鏡探究古老的超大質量黑洞
非常遙遠的、活躍的超大質量黑洞是宇宙中最明亮的燈塔。這些被稱為類星體的龐然大物被同樣遙遠的星系所包圍。近幾十年來，研究人員進行了一次宇宙尋寶之旅並在過去三年中發現了三個已知的最遙遠的類星體–每個都離地球超過130億光年。天文學家推斷，超大質量黑洞及其伴隨的星系可能需要數十億年的時間才能形成。不過這些類星體怎麼可能在宇宙的最初7億年裡變得如此巨大且擁有數十億太陽質量？一旦能看清它們的光芒，它們伴隨的星系會是什麼樣子的？它們的“鄰居”又會是什麼樣子的？
這些都是亞利桑那大學的Xiaohui Fan和Jinyi Yang以及德國海德堡馬克斯-普朗克天文研究所的Eduardo Bañados以及一個國際天文學家團隊將通過詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的觀測展開的研究內容。“這些都是非常有價值的天體，”Fan說道，“我們構建這個計劃是為了學習我們能想到的一切以便我們的團隊和更大的天文界能夠充分探索這些類星體。”
韋伯對紅外光的敏感度–包括只能從太空中捕捉到的中紅外波長–將使團隊能夠觀察到這些天體，它們的光已經走過了130億年，其波長已經從紫外線和可見光延伸到紅外光。韋伯具有無與倫比的靈敏度和空間分辨率，這些將幫助揭示這些遙遠天體的複雜結構。
研究小組計劃在三個範圍內觀察和分析數據：仔細檢查類星體本身、在去除類星體的光線后研究周圍宿主星系中的恆星、對附近的星系進行分類。“這些類星體是非常特殊的物體，這就是為什麼我們想用韋伯為每個（類星體）提供儘可能好的特徵，”Bañados說道。
“放大”–和縮小
Fan、Yang和Bañados沒有浪費任何機會。他們將使用韋伯上幾乎所有可用的儀器來觀測這些類星體。首先，他們將完善對每個超大質量黑洞質量的測量。Yang指出：“這些黑洞的存在挑戰了理論模型。我們希望獲得對它們質量的更精確測量以提高我們對它們如何形成和快速增長的理解。”
為了提高來自其他天文台的現有測量結果的精確度，他們將轉向光譜–由韋伯的近紅外光譜儀()NIRSpecBañados提供的詳細說明一個天體物理特性的數據，其中包括質量和化學成分。這將使該團隊能夠產生更準確的黑洞質量。
接下來，他們將重點揭示類星體亮光背後的星系。他們將用韋伯的近紅外相機(NIRCam)為每個目標拍攝非常深入、詳細的圖像，然後用計算機模型將類星體的光從每個目標中去除。最後，經過處理的圖像將使他們首次看到來自宿主星系中恆星的光線。該小組還將用韋伯的中紅外儀器(MIRI)獲得光譜。沒有人能完全預測他們會學到什麼。這些古老的星系是否更加緊湊？它們的恆星是否包含更多的氫和氦？韋伯肯定會帶來新的見解。
另外，研究小組還將獲得類星體及其宿主星系的光譜以追蹤氣體在宿主星系中是如何運動的，另外還將確定活躍的超大質量黑洞是否會發出熱風進而加熱星系的氣體。儘管沒有人能夠實時觀察一個完整的反饋環路，但他們可以用NIRSpec對存在的東西進行採樣並開始觀察類星體和其宿主星系之間的聯繫。
此外，他們還將“放大”來觀察這些類星體附近的星系。韋伯廣泛的高分辨率觀測將幫助研究小組通過使用韋伯的近紅外成像儀和無縫隙光譜儀(NIRISS)和NIRCam來描述附近的星系。
最後，研究人員還將對類星體周圍的大尺度環境進行採樣–氣體和塵埃的特徵。宇宙在大爆炸后的7、8億年裡是什麼樣子？這是一個被稱為“重化時代”的時期，當時星系之間的氣體基本上是不透明的。只有在宇宙的第一個10億年後，氣體才變得完全透明進而使光更容易傳播。該小組將用NIRSpec測量我們和類星體之間的一切。“我們知道，這些類星體存在於宇宙約百分之五十的中性時，”Bañados解釋說，“這些目標代表了宇宙的一個重要時代–基本上是這個過渡時期的高峰。韋伯將提供關於這一時期的新的約束條件。”
Fan、Yang和Bañados將通過向天文界發布數據和工具來分享這一徹底的觀測計劃的財富以加速對早期宇宙中類星體的整體研究。Fan說道：“韋伯將幫助我們在理解這些天體方面實現下一個飛躍。”
據悉，這項研究將作為韋伯的General Observer項目的一部分進行，這些項目是通過雙匿名審查系統競爭性選擇的，跟哈勃太空望遠鏡的時間分配系統相同。