遙遠宇宙中擁有巨大黑洞的類星體示意圖。圖片製作人：李兆聿（上海天文臺）；背景圖片來源於NASA/JPL-Caltech和Misti Mountain Observatory。
2月26日出版的國際頂級科學期刊《自然》（Nature）上，「研究快報」欄目的第一篇論文，名為《一個紅移6.3、有120億倍太陽質量黑洞的超亮類星體》（An ultra-luminous quasar with a 12 billion solar-mass-black-hole at redshift 6.3）。在這篇論文裡，我們團隊宣布發現了一顆距離我們128億光年、發光強度是太陽的430萬億倍、中心黑洞質量約為太陽120億倍的超亮類星體。它成為了目前已知的遙遠宇宙中發光最亮、中心黑洞質量最大的類星體。
《自然》雜誌還特地為此文作了題為《井噴式快速成長的年輕黑洞》（Young black hole had monstrous growth spurt）的新聞發布，並邀請德國馬普天文研究所的布拉姆·維尼曼博士（Bram Venemans）在同期雜誌的「新聞與評述」欄目中專門撰寫題為《年輕宇宙裡的巨獸》（A giant in the young Universe）的文章，評述了我們的這一發現。
短短幾天，國外新聞媒體，包括有線新聞網（CNN）、路透社、華盛頓郵報、時代周刊、美國全國廣播公司（NBC）、美國國家地理、發現頻道、科學美國人等，以及國內新聞媒體，如中央電視臺、新華社、人民日報、光明日報、中國日報、中國科學報等，紛紛將我們的這一發現作為重要新聞進行了報導。北京大學還為此專門召開了新聞專題發布會，有20多家國內主要媒體的記者參加。
黑洞和類星體為什麼我們的發現會受到大家如此重視？我覺得根本原因在於大家對黑洞的好奇。前幾個月很火的電影《星際穿越》，更是把大家對黑洞的興趣又點燃了。
顧名思義，黑洞是不發光的。愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在。只要物體的半徑縮小到某一個半徑（史瓦西半徑）以內，該物體就會變成一個黑洞。任何物質，包括光，都無法從黑洞的這一半徑內逃出。但宇宙中的黑洞基本上都不是孤立的，它強大的引力會吸引周圍的物質。這些物質在快速落向黑洞的過程中彼此會「撞車」，從而以類似「摩擦生熱」的方式在黑洞周圍釋放巨大的能量。因此，黑洞在我們看來是否「發光」，取決於它周圍有沒有大量的物質。
我們銀河系的中心也有一個質量約400萬倍太陽質量的大黑洞，但這個大黑洞周圍幾乎沒有什麼物質來供它「享用」，所以我們銀河系中心的黑洞是一個不活躍的「沉睡」中的黑洞，它周圍稀少物質的發光強度就很弱。與此相反，宇宙中有些天體其中心黑洞是活躍的，周圍有著非常豐富的物質資源，所以黑洞周圍的發光巨大。類星體就是這樣一類天體。
類星體是1963年被天文學家發現的一類特殊天體，屬上世紀60年代四大天文發現之一。它們因為看起來是「類似恆星的天體」而得名，實際上卻是銀河系外能量巨大的遙遠天體。它們的中心是猛烈吞噬周圍物質的、質量在太陽千萬倍以上的超大質量黑洞。這些黑洞周圍豐富的物質發出的巨大能量，使得類星體成為宇宙中最耀眼的天體。目前，天文學家通過大型巡天項目已經發現了20多萬顆類星體，它們分布於宇宙大爆炸後7億年至今，對應的宇宙學紅移從7.085到0.05 不等。
紅移是星系和宇宙學家描述距離的一個參量。由於宇宙膨脹，天體在離我們不斷遠去，導致我們接收到的光的波長比天體本身發出的光更長。二者波長之差與天體原發光波長之比，稱為紅移。紅移越大，意味著天體離我們越遠。通過對高紅移類星體的研究，人們可以追溯早期宇宙的結構和演化。然而，高紅移類星體由於距離太過遙遠，雖然自身能量巨大，但在地球上看起來，它們的亮度並不高，因此被發現的數目相對較少。在已發現的20多萬顆類星體中，距離超過127億光年（即紅移大於6）的類星體只有40個左右。
研究團隊部分成員在北大的合影。右起：易衛敏，王飛格，吳學兵，左文文，楊倩，楊錦怡。圖片提供：吳學兵
尋找類星體我國因為缺乏大望遠鏡，在類星體觀測研究方面起步較晚。上世紀90年代初，隨著2.16米望遠鏡在北京天文臺興隆觀測站的建成安裝和投入使用，對類星體的觀測研究才真正開始。1994年3月，北京天文臺趙永恆、鍾建霞等在利用興隆2.16米望遠鏡對一顆X射線源進行光譜觀測後，發現它是一顆紅移為0.32的類星體，這是中國天文學家利用國內天文設備發現的第一顆類星體。當時作為學習觀測的博士研究生，我在興隆觀測站親眼目睹了這一發現的全過程。
1995年5月，我與魏建彥研究員等利用2.16米望遠鏡發現了8顆紅移從0.33到1.09的類星體。1997年冬季和1998年春季，我又與德國學者合作利用2.16米望遠鏡發現了19個紅移從0.35到2.35的類星體。從此以後，類星體就成為了我所從事的天文研究的主要對象。
2008年我國用於光譜巡天的郭守敬望遠鏡（LAMOST）建成，我積極投身於LAMOST類星體候選體的準備和光譜數據的分析中，並利用LAMOST測試階段的光譜觀測發現了一批類星體，紅移最高達到2.77，成為LAMOST早期科學成果中的一個亮點。
2011年底，雲南天文臺的麗江2.4米望遠鏡在完成測試工作後向全國天文界徵集觀測需求，我提交的「發現紅移4以上類星體」的申請得到批准。在2012年2月底至3月初的6個晚上的觀測時間裡，我們發現了多個類星體，而且成功地發現了一個紅移為4.6的類星體。2013年，我們繼續利用麗江2.4米望遠鏡的觀測又發現了幾個紅移5以上的類星體。
抓獲最亮黑洞在麗江2.4米望遠鏡上成功的觀測讓我們堅定了尋找更高紅移類星體的信心。它也證明只要找到合適的選源方法選出高紅移類星體候選體，我們也可以利用國內的2米級望遠鏡發現高紅移類星體。
2013年12月，我們在選擇高紅移類星體候選體時發現，有幾個源很像紅移6以上的類星體。其中一個源SDSS J0100＋2802，i波段星等接近21等，z波段星等為18.4等，光學的其它波段沒有探測到，但在紅外波段較亮——這些特徵與紅移6以上的類星體非常符合。由於i波段星等較暗，為增加信噪比，我們決定使用2.4米望遠鏡的最低解析度光柵來拍這個源的光譜。12月底的觀測結果讓我們無比激動，這確實是一個紅移6.3的類星體！而且發光巨大，是太陽光度的430萬億倍！
2014年1月美國6.5米的多鏡面望遠鏡（MMT）和8.4米大雙筒望遠鏡（LBT）所拍的更高質量的光學光譜陸續傳來，再次確認我們用2.4米望遠鏡得到的結果沒有問題。隨後，我們又申請利用3臺國外望遠鏡對這個類星體進行近紅外光譜觀測，儘管一波三折，但最終得到了質量非常好的近紅外光譜。利用近紅外光譜中的發射譜線，我們可以比較準確地估計出這顆類星體中心黑洞質量為120億太陽質量。在與其它高紅移類星體進行比較後，我們確信我們發現的這一類星體是宇宙早期黑洞質量最大的最亮類星體！它的黑洞質量和光度比以前發現的高紅移類星體都要大至少4倍。
我們所發現的紅移6.3類星體SDSS J0100+2802是所有高紅移類星體中光度和黑洞質量最大的。圖片製作：李兆聿（上海天文臺）。背景照片是麗江2.4米望遠鏡圓頂及其天空，由雲南天文臺提供。
這一類星體的紅移為6.3，對應於離我們128億光年。它中心的一個120億倍太陽質量的黑洞存在於宇宙大爆炸後僅9億年，這一超級黑洞的發現對宇宙早期黑洞的形成與增長理論提出了嚴峻的挑戰。天文學家現在必須思考，如何在短短幾億年的時間裡讓一個黑洞長到120億倍太陽質量！這種增長方式一定是非常特別的，至少目前的理論是難以解釋的。而且，這一超級黑洞的存在也支持了在宇宙早期黑洞比星系增長得更快的觀點，這和我們附近的宇宙裡星系中心的黑洞和星系像是「約好」似地協同增長的情況完全不同。
同時，這一類星體又是遙遠宇宙中最亮的類星體，比太陽亮430萬億倍。它就像遙遠夜空中一盞最明亮的燈塔，其耀眼的光芒可幫助我們了解到很多以前無法了解的宇宙早期的信息。在我們觀測得到的近紅外光譜中，我們已發現了從這一遙遠類星體到我們的漫漫長路上，光所經過的在不同距離上分布的宇宙物質的「腳印」，這也為以後我們利用更多的遙遠類星體來研究早期宇宙的結構提供了最好的示範。
這一宇宙早期的超級「怪物」是中國學者利用雲南麗江的2.4米望遠鏡首先發現的，它也是世界上唯一用2米級別的望遠鏡發現的紅移6以上的宇宙早期類星體。在2月26日美國有線新聞網（CNN）報導我們發現的新聞中4次提到這個超級黑洞的發現者來自「中國」，這讓我們感到無比自豪！3月3日的中央電視臺新聞聯播在除報導兩會新聞以外不多的黃金時間裡，還以「聯播快訊」的方式報導了中國天文學家發現遙遠宇宙中的最亮類星體，這也讓我們備受鼓舞！
路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索！我和我的團隊將重新出發，繼續努力，期待去發現更多的宇宙奧秘。（編輯：Steed）
參考文獻 Nature 518, 512–515 (26 February 2015) doi:10.1038/nature14241