在早期宇宙中寻找超大质量黑洞
众所周知，超大质量黑洞(SMBH)——质量超过太阳一百万倍的黑洞——在当今的宇宙中普遍存在。然而，目前尚不清楚它们在138亿年的宇宙历史中何时、何地、如何形成。过去几十年的观测表明，每个星系的中心都有一个超大质量黑洞，黑洞的质量几乎总是宿主星系质量的千分之一。这种密切的关系意味着星系和超大质量黑洞是一起共同演化的。因此，揭示超大质量黑洞的起源不仅对于理解超大质量黑洞本身至关重要，而且对于阐明星系(可见宇宙的主要组成部分)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，从大爆炸(即宇宙开始)到现在，时间还不到十亿年。由于光速有限，我们可以通过观察遥远的宇宙来回顾过去。当宇宙只有十亿年或更少的时候，超大质量黑洞就已经存在了吗?黑洞有可能在如此短的时间内获得如此大的质量(超过一百万个太阳质量，有时甚至达到数十亿个太阳质量)?如果是这样，潜在的物理机制和条件是什么?为了接近超大质量黑洞的起源，我们需要观察它们并将它们的特性与理论模型的预测进行比较。为了做到这一点，我们首先需要找到它们在天空中的位置。
我们使用夏威夷莫纳克亚山顶的斯巴鲁望远镜进行本研究。斯巴鲁最大的优势之一是其宽视场观测能力，这特别适合我们的目的。由于超大质量黑洞不发光，我们寻找一种称为“类星体”的特殊类别——具有闪亮郊区的超大质量黑洞，其中落入的物质会释放重力能。我们观测到了相当于满月5000倍的广阔天空区域，并成功发现了早期宇宙中存在的162个类星体。特别是，其中 22 个生活在宇宙年龄不到 8 亿年的时代——这是迄今为止公认的类星体最古老的时期。我们发现的大量类星体使我们能够确定最基本的测量方法，称为“光度函数”，它描述了类星体的空间密度作为辐射能量的函数。我们发现类星体在早期宇宙中形成得非常快，而光度函数的整体形状(除了振幅)随着时间的推移保持不变。光度函数的这种特征行为对理论模型提供了强有力的约束，理论模型最终可以重现所有可观测到的现象并描述超大质量黑洞的起源。
另一方面，众所周知，宇宙在早期阶段经历了一次被称为“宇宙再电离”的主要相变。过去的观察表明，整个星系际空间在这次事件中都被电离了。电离能的来源仍在争论中，来自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积分，我们发现类星体发射 10 28早期宇宙中 1 光年单位体积内每秒产生的光子数。这还不到当时维持星系际空间电离状态所需光子的 1%，因此表明类星体对宇宙再电离的贡献很小。迫切需要其他能源，根据最近的其他观测，这些能源可能是来自形成星系的大质量热恒星的综合辐射。
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