类星体是非常明亮、遥远且活跃的超大质量黑洞，其质量是太阳的数百万到数十亿倍。它们通常位于星系的中心，以下落的物质为食，并释放出梦幻般的辐射洪流。在宇宙中最亮的物体中，类星体的光比其宿主星系中所有恒星的总和还要亮，它的喷流和风塑造了它所在的星系。 

今年晚些时候发射后不久，一组科学家将在六个最遥远和最明亮的类星体上训练美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜。他们将研究这些类星体及其宿主星系的特性，以及它们在早期宇宙星系演化的第一阶段是如何相互关联的。该团队还将使用类星体来检查星系之间空间中的气体，特别是在宇宙再电离期间，即宇宙非常年轻时就结束了。他们将利用 Webb 对低水平光的极端敏感度及其出色的角分辨率来实现这一目标。

韦伯：参观年轻的宇宙

当韦伯深入宇宙时，它实际上会及时回顾。当宇宙还很年轻时，来自这些遥远类星体的光就开始了它的韦伯之旅，并且需要数十亿年的时间才能到达。我们将看到很久以前的事物，而不是今天的样子。

“我们正在研究的所有这些类星体都存在于很早的时候，当时宇宙的年龄还不到 8 亿年，或者说不到当前年龄的 6%。因此，这些观测使我们有机会在这些非常早的时期研究星系演化和超大质量黑洞的形成和演化，”西班牙马德里天体生物学中心天体物理学系研究教授、团队成员圣地亚哥·阿里巴斯解释说。Arribas 还是 Webb 的近红外光谱仪 ( NIRSpec ) 仪器科学团队的成员。

这些非常遥远的物体发出的光因空间的膨胀而被拉伸。这被称为宇宙学红移。光传播得越远，红移越多。事实上，早期宇宙发出的可见光被拉伸得如此剧烈，以至于当它到达我们身边时，它被转移到红外线中。凭借其红外调谐仪器套件，Webb 非常适合研究这种光。

研究类星体、它们的宿主星系和环境，以及它们强大的外流

该团队将研究的类星体不仅属于宇宙中最遥远的类星体，而且属于最亮的类星体。这些类星体通常具有最高的黑洞质量，而且它们的吸积率也最高——物质落入黑洞的速度。

“我们对观察最明亮的类星体很感兴趣，因为它们在核心产生的大量能量应该会通过类星体流出和加热等机制对宿主星系产生最大的影响，”克里斯说Willott 是位于不列颠哥伦比亚省维多利亚的加拿大国家研究委员会 (NRC) 赫茨伯格天文学和天体物理学研究中心的研究科学家。威洛特还是加拿大航天局的韦伯项目科学家。“我们想在这些类星体对其宿主星系产生最大影响的那一刻观察它们。”

当物质被超大质量黑洞吸积时，会释放出大量的能量。这种能量加热并向外推动周围的气体，产生强烈的外流，像海啸一样撕裂星际空间，对宿主星系造成严重破坏。

外流在星系演化中起着重要作用。气体为恒星的形成提供燃料，因此当气体因外流而被移除时，恒星形成率会降低。在某些情况下，外流是如此强大并排出如此大量的气体，以至于它们可以完全阻止宿主星系内的恒星形成。科学家们还认为，外流是气体、尘埃和元素在星系内远距离重新分布的主要机制，甚至可以被排放到星系之间的空间——星系间介质。这可能会引起宿主星系和星际介质的性质发生根本变化。

在再电离时代检查星际空间的特性

130亿多年前，当宇宙还很年轻的时候，视野还很模糊。星系之间的中性气体使宇宙对某些类型的光不透明。数亿年来，星际介质中的中性气体带电或电离，使其对紫外线透明。这个时期被称为再电离时代。但是是什么导致了重新电离，从而创造了今天在大部分宇宙中检测到的“清晰”条件？韦伯将深入太空，以收集有关宇宙历史上这一重大转变的更多信息。这些观测将帮助我们了解再电离时代，这是天体物理学的关键前沿领域之一。

该团队将使用类星体作为背景光源来研究我们与类星体之间的气体。这种气体会吸收类星体特定波长的光。通过一种称为成像光谱学的技术，他们将在中间气体中寻找吸收线。类星体越亮，光谱中的吸收线特征就越强。通过确定气体是中性还是电离，科学家们将了解宇宙的中性程度以及在特定时间点发生了多少这种再电离过程。

“如果你想研究宇宙，你需要非常明亮的背景源。类星体是遥远宇宙中的完美天体，因为它足够发光，我们可以很好地看到它，”团队成员 Camilla Pacifici 说，她隶属于加拿大航天局，但在太空望远镜科学研究所担任仪器科学家在巴尔的摩。“我们想研究早期宇宙，因为宇宙在进化，我们想知道它是如何开始的。”

该团队将使用 NIRSpec 分析来自类星体的光，以寻找天文学家所说的“金属”，即比氢和氦重的元素。这些元素是在第一批恒星和第一批星系中形成的，并被外流排出。气体从它最初所在的星系中移出并进入星系际介质。该团队计划测量这些第一批“金属”的产生，以及它们被这些早期流出物推入星际介质的方式。

韦伯的力量

Webb 是一种极其灵敏的望远镜，能够探测到非常低的光。这很重要，因为尽管类星体本质上非常明亮，但该团队将要观察的类星体是宇宙中最遥远的天体之一。事实上，它们是如此遥远，以至于韦伯将接收到的信号非常非常低。只有凭借韦伯精湛的敏感性，才能完成这项科学。韦伯还提供了出色的角分辨率，可以将类星体的光与其宿主星系分开。

这里描述的类星体程序是保证时间观测，涉及 NIRSpec 的光谱能力。

詹姆斯韦伯太空望远镜将于 2021 年发射，届时它将成为世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系的奥秘，观察其他恒星周围的遥远世界，并探索我们宇宙和我们所在位置的神秘结构和起源在里面。Webb 是由 NASA 与其合作伙伴 ESA（欧洲航天局）和加拿大航天局共同领导的一项国际计划。