质量特别大的黑洞--超过太阳质量的一百万倍，被称为超大质量黑洞（SMBHs）--在当今宇宙中很常见。然而，在138亿年的宇宙演化过程中，它们的起源，以及何时、何地、如何形成的具体细节仍然模糊不清。过去几十年的研究表明，每个星系的核心都有一个 SMBH，它的质量几乎总是宿主星系的千分之一。
超大质量黑洞（SMBH；中心的小黑点）会吸收周围的物质，这些物质在流入黑洞时会形成一个螺旋状的圆盘。物质的引力能量转化为辐射，并从圆盘中发射出去。具有这种闪亮外围的 SMBH 被称为"类星体"。
这种密切的关系意味着星系和SMBH是共同进化的。因此，揭示 SMBH 的起源不仅对了解 SMBH 本身至关重要，而且对阐明可见宇宙的主要组成部分--星系的形成过程也至关重要。
解决这个问题的关键在于早期宇宙，在早期宇宙中，自宇宙大爆炸（即宇宙开始）以来所经过的时间还不到十亿年。由于光速有限，我们可以通过观测遥远的宇宙来回顾过去。当宇宙只有十亿岁或更小的时候，SMBH 是否就已经存在了呢？
我们用斯巴鲁望远镜拍摄的夜空照片示例。放大图像中心的小红点代表来自遥远类星体的光线，它存在于宇宙 8 亿岁时（130 亿光年远）。图片来源：日本国立天文台
黑洞是否有可能在如此短的时间内获得如此大的质量（超过一百万太阳质量，有时甚至达到数十亿太阳质量）？如果可能，其基本物理机制和条件是什么？要接近 SMBH 的起源，我们需要观测它们，并将它们的特性与理论模型的预测进行比较。要做到这一点，首先需要确定它们在天空中的位置。
研究小组利用位于夏威夷毛纳凯亚山顶的斯巴鲁望远镜进行了本次研究。斯巴鲁望远镜最大的优势之一就是它的宽视场观测能力，这一点特别适合这项研究。
由于超巨型天体不发光，研究小组寻找的是一种被称为"类星体"的特殊类别--超巨型天体的外围闪闪发光，下沉物质在那里释放引力能量。他们观测了相当于 5000 倍满月的广阔天空区域，成功发现了 162 个居住在早期宇宙中的类星体。其中，22 个类星体存在于宇宙年龄不到 8 亿年的时代，这是迄今为止发现类星体的最古老时期。
由于发现了大量类星体，他们得以确定最基本的测量方法，即"光度函数"，它描述了类星体的空间密度与辐射能量的函数关系。他们发现，类星体在宇宙早期的形成速度非常快，而光度函数的整体形状（除振幅外）却随着时间的推移而保持不变。
光度函数描述了空间密度（纵轴为Φ）与辐射能量（横轴为 M1450）的函数关系。天文学家绘制了在宇宙年龄为 8 亿年（红点）、9 亿年（绿菱形）、12 亿年（蓝方）和 15 亿年（黑三角）时观测到的类星体的光度函数。曲线代表最佳拟合函数形式。类星体的空间密度随着时间的推移急剧上升，而光度函数的形状几乎没有变化。资料来源：《天体物理学杂志通讯》，949, L42, 2023年
光度函数的这一特征行为为理论模型提供了强有力的约束，这些理论模型最终可以重现所有观测数据，并描述 SMBH 的起源。
另一方面，众所周知，宇宙在其早期经历了被称为"宇宙再电离"的重大相变。过去的观测表明，整个星系际空间在这一事件中被电离。电离能量的来源仍有争议，类星体的辐射被认为是一个有希望的候选者。
通过对上述光度函数进行积分，我们发现类星体在早期宇宙中每侧 1 光年的单位体积内每秒发出 1028 个光子。这还不到当时维持星系际空间电离状态所需的光子的 1%，因此表明类星体对宇宙再电离的贡献微乎其微。根据最近的其他观测结果，这可能是正在形成的星系中来自大质量热恒星的综合辐射。
