艺术家描绘的超大质量黑洞系统想象图。落入黑洞的气体在其附近形成一个明亮的冕区。在某些系统中，还会产生喷流。图片来源：NASA/JPL-Caltech
一个由早稻田大学和东北大学研究人员领导的国际天文学家团队，在早期宇宙中发现了一个不寻常的类星体，其内部包含一个以其尺寸而言增长最快的超大质量黑洞之一。斯巴鲁望远镜的数据显示出一系列令人惊讶的混合特征。这个类星体正以极高的速率吸积物质，同时释放出强烈的X射线并产生强大的射电喷流。许多现有理论认为这些特征不应同时出现，使得这个天体成为一个罕见且具有揭示意义的发现。这些观测为超大质量黑洞如何在宇宙早期如此迅速地增长提供了新的见解。
超大质量黑洞的质量是太阳的百万倍到数十亿倍，存在于大多数星系的中心。它们通过吸积周围气体来增长。当这些物质向内螺旋下落时，会形成一个旋转的吸积盘，并可能激发一个被称为“冕”的、由极热等离子体构成的致密区域（这是X射线的一个关键来源）。在某些情况下，该系统还会产生一个在射电波段非常明亮的狭窄喷流。当黑洞活跃地吸积物质并极其明亮时，它们就被称为类星体。一个尚未解决的主要问题是，这些庞然大物中的一部分是如何在宇宙历史的早期就变得如此巨大的。
突破黑洞增长极限
对于早期快速增长的一种解释是超爱丁顿吸积。在标准条件下，下落物质释放的辐射会向外推，从而限制黑洞的增长速度。这个理论上限被称为爱丁顿极限。然而，某些极端环境可能允许黑洞在短时间内突破这个极限，导致质量非常迅速地增加。
为了研究早期宇宙中是否发生过这种增长，研究人员使用了斯巴鲁望远镜的近红外光谱仪（MOIRCS）。通过追踪类星体附近气体的运动并分析Mg II（2800 Å）发射线，他们估计了黑洞的质量。根据X射线测量结果，这些数据指向一个存在于大约120亿年前的超大质量黑洞，其吸积物质的速率大约是爱丁顿极限的13倍。
一个挑战预期的类星体
这个天体的独特之处在于它在不同光波波段的表现。许多理论模型预测，在超爱丁顿增长期间，吸积流内部结构的变化会削弱X射线发射并抑制喷流活动。然而，这个类星体却同时保持着明亮的X射线辐射和强大的射电喷流。研究结果表明，这个黑洞正在以极快的速度增长，同时仍维持着一个活跃的冕区和一个强大的喷流。这种不寻常的组合指向了当前模型尚未完全解释的物理过程。
研究团队认为，这个类星体可能是在一个短暂的过渡期被观测到的，可能是在气体突然涌入之后。在这种情况下，可用物质的急剧增加将黑洞推入了超爱丁顿状态。在有限的时间内，发射X射线的冕区和射电喷流都保持着高度活跃，然后该系统才会逐渐进入一个更典型的增长模式。
如果这个解释是正确的，那么这个天体就提供了一个难得的机会，来研究早期宇宙中黑洞随时间变化的增长过程，这是解释超大质量黑洞如何如此快速形成的重要一步。
对星系演化的意义
强烈的射电信号表明，喷流携带了足够的能量来影响其周围环境。这样的喷流可以加热或扰乱宿主星系内的气体，可能影响恒星形成，并塑造星系及其中心黑洞共同演化的方式。超爱丁顿增长与喷流驱动的反馈之间的关系尚不清楚，而这个类星体为检验新想法提供了一个宝贵的参考点。
第一作者大渊咲子（Sakiko Obuchi，早稻田大学）表示：“这项发现可能让我们更接近于理解超大质量黑洞如何在早期宇宙中如此迅速地形成。我们想研究是什么驱动了这种异常强烈的X射线和射电辐射，以及类似的物体是否一直隐藏在巡天数据中。”
这些发现已作为大渊咲子等人的论文《在z = 3.4处发现一个X射线明亮、射电响亮的类星体：一个可能的过渡性超爱丁顿阶段》（Discovery of an X-ray Luminous Radio-Loud Quasar at z = 3.4: A Possible Transitional Super-Eddington Phase）于2026年1月21日发表在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上。
这项研究得到了科学研究费补助金（项目编号：25K01043、23K13154、22H00157）、JST FOREST计划（JPMJFR2466）以及稻盛基金会研究资助的支持。
斯巴鲁望远镜是由日本国立天文台（自然科学研究机构）运营的大型光学-红外天文台，并得到日本文部科学省“促进大型科学前沿项目”的支持。研究团队承认并尊重夏威夷莫纳克亚山在文化、历史和自然方面的重要意义，本次观测正是在那里进行的。
