在過去的幾十年裏，天文學家們能夠更深入地觀察宇宙，幾乎可以追溯到宇宙的起源。在這樣做的過程中，他們了解了宇宙中一些最早的星系及其隨後的演化。然而，仍有一些事情仍然是不受討論的，比如當帶有超大質量黑洞（SMBHs）和大質量噴流的星系首次出現時。
根據國際高等研究學院（SISSA）和來自日本和台灣的天文學家團隊最近的研究，提供了關于超大質量黑洞是如何在大爆炸後8億年開始形成，以及在不到20億年後開始形成相對論噴流的新見解。該案例表明宇宙中巨大物體的形成比我們想象的要早。
天文學家已經知道超大質量黑洞已有半個多世紀了。隨著時間的流逝，他們逐漸意識到，大多數大型星系（包括銀河系）都以它們爲核心。它們在星系演化中所扮演的角色一直是研究的主題，現代天文學家認爲它們與星系中恒星形成的速率直接相關。
同樣，天文學家發現，超大質量黑洞周圍有緊密的吸積盤，氣體和塵埃在那裏被加速到接近光速。這導致一些星系的中心變得如此明亮，即所謂的活動星系核（AGNs），以至于它們在盤中的亮度超過了恒星。在某些情況下，這些吸積盤還會導致熱物質射流，這可從數十億光年遠處看到。
根據傳統的模型，當宇宙還不到10億年（約130億年前）時，星系沒有足夠的時間形成中心黑洞。然而，最近的觀測顯示，黑洞在當時已經在星系中心形成。針對這一點，來自SISSA的一組科學家提出了一個新的模型，該模型提供了一個可能的解釋。
該研究小組從一個衆所周知的事實開始，即超大質量黑洞生長在早期星系的中心區域。這些天體，是今天橢圓星系的前身，具有非常高的氣體濃度和非常強烈的新恒星形成速率。這些星系中的第一代恒星壽命很短，很快演化成相對較小但數量可觀的黑洞。環繞它們的稠密氣體導致了巨大的動力摩擦，並使它們迅速遷移到星系中心。這就是他們融合的地方，創造了超大質量黑洞的種子—隨著時間的推移，這些黑洞慢慢成長。
恒星S2經過銀河系中心的超大質量黑洞時的軌迹
正如研究小組在最近的SISSA新聞稿中所解釋的：根據經典理論，一個超大質量黑洞生長在星系的中心，捕獲周圍的物質，主要是氣體，“生長”它自己，最後以與其質量成比例的節奏吞噬它。因此，在黑洞發展的最初階段，當黑洞的質量很小時，它的增長非常緩慢。根據計算，要達到觀測到的質量，幾十億倍于太陽的質量，需要非常長的時間，甚至比年輕宇宙的年齡還要長。”
然而，他們最初建立的數學模型表明，中心黑洞的形成過程在初始階段可能非常迅速。這不僅爲早期宇宙中超大質量黑洞種子的存在提供了一個解釋，而且也使它們的生長時間與已知的宇宙年齡相一致。簡言之，他們的研究表明，早期黑洞的遷移和合並過程可以導致在短短5-1億年內産生1萬到10萬個太陽質量的超大質量黑洞種子。
正如小組所解釋的：根據上述標准理論，設想的氣體直接積聚，中心黑洞的增長將變得非常迅速，因爲它們成功吸引和吸收的氣體數量將變得巨大，並在我們提出的過程中占主導地位。然而，正是從我們的機制所設想的如此大的一顆種子開始的事實，加速了超大質量黑洞的增長，並允許它在年輕的宇宙中形成。簡言之，根據這一理論，我們可以說，在大爆炸發生8億年後，超大質量黑洞已經可以填充宇宙。”
除了爲觀察到的超大質量黑洞種子提出模型外，該團隊還提出了一種測試它的方法。一方面，這些合並會産生引力波，這可以通過使用引力波檢測器（如Advanced LIGO / Virgo）來識別，並以未來的愛因斯坦望遠鏡來表征。此外，那些快速移動的電離物質流以相對論的速度（光速的一部分）傳播，我們已經觀察到它們是從某些星系的中心散發出來的。這些噴流與星系形成恒星的速度有關，因爲它們排出物質的方式會以其他方式坍塌而形成新的恒星。換句話說，這些噴流在星系的演化中起著重要的作用，就像超大質量黑洞一樣。
MG J0414+0534的重建圖像，顯示了塵埃和電離氣體在類星體（紅色）和一氧化碳氣體（綠色）周圍發射，這些氣體沿著噴流具有雙極結構。
由于這個原因，天文學家們試圖了解更多關于黑洞噴流和氣態雲是如何隨著時間的推移而相互作用的。不幸的是，在早期宇宙中很難觀察到這種相互作用。利用阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列（ALMA），一組天文學家成功地獲得了來自一個非常遙遠的類星體的擾動氣態雲的第一幅分辨率圖像。ALMA數據揭示了來自MG J0414+0534的年輕雙極噴流，該類星體距離地球大約110億光年。這些發現表明，當大爆炸還不到30億年時，就存在著帶有超大質量黑洞和噴流的星系。
MGJ0414+0534展示了幹擾宿主星系周圍氣體的強大噴流
除了ALMA之外，研究小組還依賴于一種稱爲引力透鏡的技術，即幹涉星系的引力將來自遙遠天體的光放大。由于這台“宇宙望遠鏡”和ALMA的高分辨率，研究小組得以觀察到MG J0414+0534周圍受幹擾的氣態雲，並確定它們是由星系中心超大質量黑洞發射的年輕噴流造成的。這些觀測結果還表明，氣體沿著噴射方向受到沖擊，導致粒子劇烈移動，並加速至600公裏/秒。更重要的是，這些受影響的氣態雲和噴流本身比這個典型星系的年齡要小得多。
由此，研究小組得出結論，他們在MGJ0414+0534星系中目睹了一個非常早期的噴流演化階段。如果是真的，這些觀測結果使研究小組得以見證早期宇宙中星系的一個關鍵進化過程。這些研究表明，宇宙中兩個最強大的天文現象出現的時間比預期的要早。這一發現也爲天文學家提供了一個機會來探索這些現象是如何隨時間演化的，以及它們在宇宙演化中所起的作用。
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