2026年10月1日，华中科技大学物理学院天文学系张华年团队题为“Probing Dark Matter Halos of High-redshift Quasars via Wide-Field Clustering”的研究论文在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters，IF=11.1）发表。2023级本科生蒙皓为第一作者，张华年副教授为通讯作者，博士生叶广平参与相关工作。该研究利用大规模的高红移类星体样本，通过成团性分析，测量了宇宙早期类星体的暗物质晕质量、活动周期等，为理解早期超大质量黑洞与宇宙大尺度结构的协同演化提供了关键观测限制。
我们的宇宙诞生于约138亿年前的一次大爆炸。天文学家在宇宙年龄仅约7亿至10亿年时，就已发现了一批异常明亮的类星体。其核心是一个质量为太阳数亿倍乃至数百亿倍的超大质量黑洞。这个黑洞通过强大的引力不断吞噬加热周围气体，释放出足以照亮整个星系的巨大光亮。然而，理论模型很难解释：在如此短暂的宇宙早期，这些黑洞如何能迅速吸积长到如此庞大？同时，这些类星体并非孤立存在，它们居住在由暗物质主导的引力势阱（即暗物质晕）中。暗物质是一种无电磁相互作用的未知粒子，通过引力将气体、星系、类星体等“捆绑”在一起，形成星系团乃至大尺度结构。因此，类星体的空间分布反映了其宿主暗物质晕性质。这两者之间如何协同演化，是当今天文学重要的研究课题。
为攻克这些难题，研究团队基于Legacy Survey、DESI、SDSS等巡天项目的观测目录，构建了一个包含1,242颗光谱证认类星体和827颗高可靠性测光候选体的联合样本，红移覆盖4.7~6.3（对应宇宙年龄约8.7~12.6亿年）。由于宇宙持续膨胀，遥远天体发出的光在传播过程中波长被拉长，向红端偏移。红移（记为z）越大，表示天体距离我们越远，也意味着我们看到的它是宇宙更早期时的模样。
团队收集了两种类型的类星体候选体：(1)光谱证认类星体：通过分解来自DESI、SDSS观测光谱中的特征发射线，确认其类星体身份和精确红移。(2)高可靠性测光候选体：仅通过多波段测光（即拍摄不同颜色滤光片下的亮度图像）筛选。团队采用随机森林机器学习算法，基于Legacy Surveys DR9的光学数据和WISE卫星的近红外数据，从测光天体中挑选出最可能为高红移类星体的目标。为了验证其可靠性，团队又将这批候选体与DESI项目的独立光谱数据比对，发现其在低红移端纯度高达96%，高红移端也达到83%，证明机器学习方法筛选出的候选体非常可靠。类星体的空间分布如图1上。
图1：（上）高红移类星体的空间分布；（下）类星体的两点自相关函数。
随后，团队运用成团性分析：计算这些类星体在空间中的两点相关函数（图1下），即相较于完全随机分布，它们在各个距离尺度上实际聚集的强弱程度。这一聚集程度用偏置参数（bias parameter）来量化。偏置参数可以通俗理解为“类星体作为暗物质分布的示踪剂，其聚集强度比暗物质本身强了多少倍”。数值越大，表明类星体越是偏向于居住在质量更大的暗物质晕中。研究测得这些类星体的偏置参数大约为20-30，远超普通星系，表明早期类星体极度成团，必然栖息在极其巨大的暗物质晕中。
通过将偏置参数与标准宇宙学模型下的暗物质晕质量分布函数进行匹配，团队推断出这些类星体的宿主暗物质晕典型质量约为4×10¹²（四万亿）倍太阳质量。更令人意外的是，这一质量值在两个不同的红移区间内高度一致，几乎没有变化。进一步与文献中低红移（更近邻宇宙）类星体研究对比后，团队发现，类星体的典型暗物质晕质量在整个近百亿年的宇宙历史中基本稳定在10¹²~10¹³倍（万亿~十万亿）太阳质量之间。这意味着，能够有效供给气体并驱动黑洞快速增长、产生高光度类星体的“最佳”暗物质晕尺度，在宇宙演化的大部分时期并未发生大的改变。结果如图2和表1。
研究还估算了类星体的活动周期（duty cycle），即一个暗物质晕在其生命周期中处于明亮类星体状态的时间比例。结果显示，红移5.0和6.0附近的活动周期分别仅为1.1%和1.2%，对应的类星体“点亮”持续时间约为1,200万年和1,100万年（宇宙年龄大概10亿年）。这个极低的比值说明绝大多数时间里，这些暗物质晕中心的超大质量黑洞并不以光学明亮类星体的形式出现，而是处于被尘埃或气体云团遮挡、光学上不可见的吸积增长阶段。基于活动周期和黑洞质量增长模型，团队进一步推算出其辐射效率仅为0.12%–0.13%，这一极低的效率也支持了“高度遮蔽吸积”的设想，即大部分引力能并未转化为辐射，而是随着物质直接落入黑洞。结果如图2和表1。
图2：类星体在不同宇宙时期的暗物质晕质量和活动周期，红色星型记号为本研究结果。
表1：本研究测得的偏置参数、暗物质晕质量、类星体的活动周期等。
值得强调的是，该研究创新性地采用了包含测光候选体、广天区的类星体样本。通过系统性筛选、去除虚假源和观测偏差，团队证实了包含测光候选体的联合样本与独立的光谱样本分析所得结果在统计上的一致性，表明了测光候选体的高可靠性。这一方法显著扩大了有效样本量，并覆盖了更广阔的巡天面积（约14,000平方度），有效抑制了宇宙方差对成团测量的影响，为未来更大样本的高红移类星体成团性研究提供了技术路径。随着薇拉·鲁宾天文台、欧几里得空间望远镜、罗曼太空望远镜以及中国空间站望远镜等大型设施陆续开始运行，天文学家将以前所未有的精度绘制遥远宇宙的三维地图。基于成团性分析的研究将帮助天文学家了解最早的黑洞是如何形成的，以及它们如何在宇宙漫长的历史中塑造了星系的演化过程。
本研究受华中科技大学经费，国家基金委，中国空间站望远镜等经费资助。该研究也是天文系依托物理学院“星系与宇宙学”本科生创新基地开展本科生科研训练成果。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aea06f
