类星体及其周围星系的Webb模拟图像

非常遥远、活跃的超大质量黑洞是宇宙中最亮的灯塔。这些被称为类星体的庞然大物被同样遥远的星系包围。近几十年来，研究人员进行了一次宇宙寻宝活动，确定了过去三年中已知的三个最遥远的类星体，每个类星体距离地球超过130亿光年。天文学家推断，超大质量黑洞及其伴生星系的形成可能需要数十亿年的时间。这些类星体在宇宙的前7亿年里变得如此巨大，拥有数十亿太阳质量，这怎么可能呢？一旦你能透过它们的眩光看到它们的伴星是什么样子的？他们的“社区”是什么样子的？

亚利桑那大学的范晓辉和杨金毅，以及德国海德堡马克斯•普朗克天文研究所的Eduardo Bañados和一个国际天文学家团队，将通过詹姆斯•韦伯太空望远镜的观测来研究这些问题。范说：“这些真的很有价值。”“我们组织这个项目是为了了解我们能想到的一切，这样我们的团队和更大的天文界就可以充分探索这些类星体。”

韦布对红外光的敏感性——包括只能从太空捕捉到的中红外波长——将使团队能够观察到这些物体，这些物体的光已经传播了130亿年，其波长从紫外线和可见光延伸到红外光。韦布具有无与伦比的灵敏度和空间分辨率，这将揭示这些遥远物体中的复杂结构。

该团队计划在三个尺度上观察和分析数据：仔细检查类星体本身，在去除类星体的光后研究周围宿主星系中的恒星，以及对附近的星系进行分类。“这些类星体是非常特殊的物体，”巴尼亚多斯解释道。“这就是为什么我们希望为韦布的每一个角色提供最好的刻画。”

早期宇宙中类星体的图解。研究人员将首次用詹姆斯•韦伯太空望远镜详细研究围绕三个明亮类星体的星系。

放大和缩小

范、杨和巴尼亚多斯没有浪费任何机会：他们将使用韦布上几乎所有可用的仪器来观察这些类星体。首先，他们将完善对每个超大质量黑洞质量的测量。杨说：“这些黑洞的存在对理论模型提出了挑战。”“我们希望对它们的质量进行更准确的测量，以提高我们对它们是如何快速形成和生长的理解。”

为了提高其他天文台现有测量的精度，他们将转向光谱——由韦布的近红外光谱仪（NIRSpec）提供的详细说明物体物理特性的数据，包括质量和化学成分。这将使该团队能够产生更准确的黑洞质量。

接下来，他们将专注于揭示类星体明亮光线背后的星系。他们将用韦布的近红外相机（NIRCam）拍摄每个目标的非常深入、详细的图像，然后使用计算机模型从每个目标上去除类星体的光。经过处理的最终图像将为他们提供宿主星系恒星发出的光的第一个视图。该团队还将使用韦布的中红外仪器（MIRI）获得光谱。没有人能够完全预测他们将学到什么。这些古老的星系是不是更紧凑？他们的恒星所含的氢和氦还多吗？韦布一定会有新的见解！

该团队还将获得类星体及其宿主星系的光谱，以追踪气体在宿主星系中的运动方式，并确定活跃的超大质量黑洞是否正在发出加热星系气体的热风。尽管没有人能实时观察到完整的反馈回路（这需要数百万年！），但他们可以对NIRSpec中存在的东西进行采样，并开始观察类星体与其宿主星系之间的联系。

他们还将“放大”这些类星体附近的星系。韦布的广泛、高分辨率观测将有助于该团队通过使用韦布的近红外成像仪、无狭缝光谱仪（NIRISS）和NIRCam来表征附近的星系。

最后，研究人员还将对类星体周围的大规模环境——气体和尘埃的特征——进行采样。宇宙大爆炸后7亿或8亿年的宇宙是什么样子的？这是一个被称为再电离时代的时期，当时星系之间的气体基本上是不透明的。只有在宇宙最初的十亿年后，气体才变得完全透明，使光更容易传播。该团队将用NIRSpec测量我们和类星体之间的一切。巴尼亚多斯解释道：“我们知道这些类星体存在于宇宙大约50%中性的时候。”“这些目标代表了宇宙的一个重要时代——本质上是这一转变的顶峰。韦布将为这一时期的情况提供新的限制。”

范、杨和巴尼亚多斯将通过向天文学界发布数据和工具，加速对早期宇宙中类星体的整体研究，分享这一彻底观测计划的丰富成果。范说：“韦布将帮助我们在理解这些物体方面实现下一个量子飞跃。”

横幅图像：类星体和类星体周围星系的模拟韦布图像插图。研究人员将使用韦布的近红外相机（NIRCam）拍摄每个目标的图像，如左图所示的模拟图像。接下来，他们将移除类星体的光线，以揭示银河系及其恒星，如右图所示。来源：美国国家航空航天局、欧空局、CSA、Joseph Olmsted（STScI）