导读：2026年6月4日，《科学》（Science）杂志正式发表了由清华大学天文系的助理教授顾梦为核心作者的论文：A stellar dynamical mass measurement of an inactive black hole at redshift 2。借助詹姆斯·韦伯空间望远镜的近红外积分视场光谱，和前景星系团的强引力透镜放大，该合作首次利用恒星动力学方法对一个约100亿年前（z=1.95）的高红移宇宙中，处于休眠状态的超大质量黑洞进行质量测量，发现其约为60亿倍太阳质量。在宇宙年龄只有今天四分之一时，这一星系的黑洞质量与宿主星系的恒星速度弥散度的关系已经与今日无异，但却比基于近邻宇宙中宿主星系核球与黑洞质量的经验关系的预测高出12倍之多。这一重要成果展示了超大质量黑洞在宇宙早期的快速成长，也将为检验黑洞与星系的共同演化提供了一个罕见和重要的样本。
艺术示意图：JWST 与引力透镜的放大令该团队对早期宇宙中的一个休眠黑洞的质量进行测量。（图源：Navid Marvi/卡内基科学研究所)
# 对遥远的黑洞进行质量测量，为何如此之难？
天文学观测告诉我们，宇宙中几乎每一个大质量星系的中心都潜伏着一个超大质量黑洞。对这些神秘天体的认证和质量测量是现代天文学和物理学的关键问题。2020年，天文学家Reinhard Genzel和Andrea Ghez正是因为通过三十年的恒星动力学观测证实了银河系中心存在约四百万太阳质量的超大质量黑洞，分享了当年的诺贝尔物理学奖。更重要的是，天文学家发现这些超大质量黑洞的性质与宿主星系的形成演化息息相关。在银河系周围的近邻宇宙中，星系中心超大质量黑洞与星系的核球质量、恒星速度弥散度等基础物理性质存在着紧密的标度关系。这些关系也构成了天文学家检验星系与黑洞共同演化图景的基石。
然而，如此重要的物理关系从何而来？在宇宙早期是否已经存在？如何随着时间演化？这些关键问题仍然亟待观测检验。作为超大质量黑洞质量测量的试金石，恒星动力学方法要求观测能够分辨出黑洞的引力影响范围（Sphere of Influence），通常只适用于距离我们200 Mpc （约6.5亿光年）以内的近邻星系。在更遥远的宇宙中，天文学家往往需要依赖明亮的活动星系核（AGN）中的气体运动学对黑洞质量进行间接估计，面临着强烈的选择效应和诸多系统问题。如何在早期宇宙中更准确地测量黑洞质量，尤其是已经不再活跃吸积的超大质量黑洞的质量，长期以来困扰着天文学家。
# MRG-M0138：引力透镜与JWST让黑洞现形
为了向这一问题发起挑战，卡内基天文台Andrew Newman博士领导的国际合作团队找到了一个位于100亿年前的宇宙正午时期、被称为MRG-M0138的星系。从太阳系看去，这一已经停止恒星形成的宁静星系非常幸运地位于大质量星系团MACS J0138.0−2155背景处合适的位置上，被强大的引力透镜效应放大了30倍，且其图像被扭曲、延伸成了多条明亮的光弧。这一得天独厚的条件、结合上JWST强大的近红外积分视场光谱观测能力，使得天文学家终于首次测量到了宇宙年龄只有今天1/4处超大质量黑洞引力影响范围内的恒星运动。
利用这一珍贵数据，团队采用金斯各向异性动力学方法进行了建模。在对暗物质、恒星质光比及其空间梯度、星系倾角与速度各向异性等因素都进行了充分考虑后，天文学家排除了多种不同的模型假设，给出了MRG-M0138中心黑洞已经是太阳质量的60亿倍的精确测量。此外，利用多波段的观测数据，该团队还确认了这一超大质量黑洞没有活跃的吸积活动产生的强烈气体发射或X射线辐射，确实处于休眠状态。而这样的系统，恰恰是传统利用活动星系核气体发射的间接方法无法触及的。
MRG-M0138 的恒星运动学与动力学模型对比。中心处显著的速度峰值，只有在模型中放入一个约 60 亿太阳质量的黑洞时才能重现；不含黑洞的模型无法解释观测。
# 一个“超标”的黑洞：相对核球过重，相对速度弥散却正常
在准确的质量测量之外，MRG-M0138中心黑洞在与宿主星系物理性质的标度关系上也展示出了备受天文学家关注的结果。在黑洞质量与星系恒星速度弥散度的关系上，MRG-M0138已经与近邻星系别无二致。但当天文学家关注在宿主星系核球质量与黑洞质量的重要关系时，却发现MRG-M0138黑洞的质量是本地关系预测值的12倍。
这一结果对天文学家理解星系-黑洞协同演化具有显著的意义，可能暗示了黑洞质量-恒星速度弥散度是更为基础的物理关系，而黑洞–核球质量的本地关系则是后续星系演化的结果。MRG-M0138在未来数十亿年间会经历不断并合、质量大致翻倍，有望逐渐落回本地的黑洞-核球关系，而黑洞几乎无需再显著增长，最终很可能演化为一个类似 M87 的巨椭圆星系。
从黑洞质量与星系恒星速度弥散度的关系来看，MRG-M0138 与近邻宇宙中的星系非常相似。然而，当我们比较黑洞质量与宿主星系核球恒星质量的关系时，MRG-M0138 中的黑洞却显得异常超重：其质量约为本地黑洞-核球质量关系预测值的12倍。
值得一提的是，近邻宇宙中存在一类罕见的“遗迹星系”（Relic Galaxy），被认为是早早熄火、又躲过显著并合的“宇宙化石”，它们同样表现出相对核球过重、相对速度弥散度正常的特征。MRG-M0138 在结构与运动学上与之高度相似，有可能这类星系的高红移祖先。
该研究成果以 A stellar dynamical mass measurement of an inactive black hole at redshift 2 为题发表于《科学》（Science）.原文链接 https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adx5816 美国卡内基科学研究所 Andrew B. Newman 为第一作者兼通讯作者；清华大学天文系助理教授顾梦（Meng Gu）为第二作者。
