作者:丽贝卡·博伊尔
自人类望向星空起,宇宙总于不停抛出凌驾想象的未知谜题。2022年7月,当天文学家看到韦布空间千里镜(JWST)传回的首批图象时,宇宙的样貌基本切合年夜大都人的预期。画面中布满着刺眼的蓝色光线、发光的星尘轨迹,气体形成的帷幕于新恒星降生的光线中熠熠生辉。
但环境很快就变患上诡异起来。险些每一张新图象中都呈现了神秘的微小红点。这些光点极为致密、亮度惊人,且出现光鲜的红色。它们的数目之多使人震动——不管JWST看向那边,至少都能发明一个被当今学术界统称为“小红点”(Little Red Dot, LRD)的天体。它们降生在年夜爆炸后数亿年,短暂呈现又快速消散,光谱、质量、辐射特性全数违离现有天体理论。星暴星系、灰尘掩蔽黑洞、全新天体“黑洞星”,多种假说轮替登场,却始终没有同一谜底。

韦布空间千里镜拍摄的“小红点”。
一、遍布深空的神秘红色光点
天文学家很快测定,这些红点能追溯到年夜爆炸后约6亿年。这象征着,它们的光线超过了险些与宇宙春秋相称的漫长岁月,才终极抵达JWST蜂窝状的镜面。这些红点曾经遍布宇宙遍地,却于年夜爆炸后15亿年又鸣金收兵。
小红点的春秋、尺寸及惊人的数目都指向某种全新的事物,一种只有JWST才能看到的新天体。美国麻省理工学院(MIT)的天体物理学家罗汉·奈杜暗示:“它们存于在千里镜拍摄的每一一张图象中,假如咱们想还有原初期宇宙的完备图景,就必需查清它们的底细。”
开初,天体物理学家重要缭绕几种理论来注释这些红点,每一种注释都关乎宇宙演化的庞大环节。小红点多是一些致密星系,中央占据着正于疯狂吞噬物资并猛烈喷发的黑洞;它们也可能代表了某种从未见过的黑洞演化阶段;或者者是灰尘覆盖的星暴星系,正像热油里的爆米花同样疯狂孕育着恒星。
假如小红点确凿是超年夜质量黑洞,它们的广泛存于将有助在咱们理解这些征象的素质。它们也许能展现黑洞怎样演化与以惊人的速率生长的奥秘,甚至注释星系团的形成机制。这些发明还有能帮理论研究者摸索“直接坍缩黑洞”—这是一种相对于较新的观点,认为黑洞并不是由恒星残骸形成,而是由巨年夜的原始气体云直接坍缩而成,就像恒星降生同样。
但近来,很多天文学家最先偏向在一个足以转变职业生活生计的结论:这些小红点多是一类全新的天体。最新的理论认为,它们多是所谓的“准恒星”或者“黑洞星”,这是20年条件出的观点。只管部门专家仍持思疑立场,但这一设法正迅速得到撑持。
假如它们真的是宇宙中的某种全新的事物,将转变咱们对于宇宙的认知,正如20世纪60年月类星体(星系中央进食的黑洞)的发明完全改造了星系演化理论同样。
多位天文学家坦言,面临全世界数十个研究团队险些逐日更新的论文,追踪小红点相干研究已经使人目不暇接。麻省理工学院的天文学家安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯感叹道:“今朝还有没有形成共鸣,即便咱们有了心仪的理论,也还有有没有数问题有待解答。”美国科尔比学院的天体物理学家戴尔·科采夫斯基自小红点初现便连续深切研究,他则更为乐不雅:“我敢必定,一两年内咱们就能弄清晰本相。”至少今朝,还有没人能识破这些小红点的假装。
二、“每一个小红点都是黑洞星”
小红点的红色是破解它们身份的要害旌旗灯号。它们变红好像至少有两个缘故原由:起首,这些天体极为古老。古老的天体往往看起来偏红,由于跟着宇宙不停膨胀,光芒的波长于漫长的旅行中被拉长,孕育发生了红移。
但天文学家已经经意想到,小红点自己也是红色的。这象征着,它们的光不仅被拉伸了,它们自己还有可能包裹于厚重的灰尘中,遮挡了其他波长的光。2024年3月发表的第一批关在小红点的论文就指出,这些天体数目富厚,“好像被厚厚的灰尘包裹,于一团团蓝色的恒星形成区之间,出现为红色的点状光源。”奥地利科学技能研究院的约里特·马特带领了这项研究,并付与了它们这个亲切的名字。

星空 新华社发
小红点于韦布空间千里镜的图象中险些无处不于,由于这台千里镜恰是为不雅测红光而设计的,特别擅长捕获这些天体发出的中红外波段。哈勃空间千里镜看不到这类光,而以前的红外天文台,例如斯皮策空间千里镜,也不具有JWST如许的不雅测能力。JWST上的两台仪器—近红皮毛机及中红外仪器—是发明及研究小红点的主力装备,它们已经经展现了数百个这类泛着红色光线的微小光点。
理解小红点的要害部门之一,需要一点化学的常识。这些红点的光谱中存于显著的“巴耳末断裂”,即于特定波长如下光强骤减。这一波长代表了将电子从氢原子特定能级中踢出所需的能量。当一个天体于这一波长如下发出的光少在这一波长以上时,天文学家可以揣度,较高能的光子(波长更短)正被氢电子接收,这象征着一定存于富厚的高能光子源。于星系中不雅察到巴耳末断裂凡是象征着此中布满了年青灼热的恒星。而小红点的光谱中偏偏有着这类典型的巴耳末断裂。
最初,天文学家认为这象征着小红点是正于孕育年夜量灼热恒星的星系—此中恒星数目可达数百亿颗。这些星系出产灰尘的效率也会很是高,这注释了为何它们看起来是红色的,而不是初生恒星那种敞亮的蓝色。但这个理论存于一个问题:对于在像星河系如许春秋的星系来讲,孕育发生数十亿颗恒星很正常。但小红点只存于在宇宙汗青中极为短暂的一刹时,要形成云云多的恒星险些是不成能的。更主要的是,这些红点过小了,容不下数十亿颗恒星。按照其发光特性,将这么多恒星挤进小红点巨细的天体中,相称在于太阳系及近来的邻人比邻星之间再塞进几十万颗太阳。这与当前描写初期宇宙的宇宙学理论很难和谐,更不消说恒星形成与彼此作用的理论了。
跟着天文学家于2024年不雅察到更多小红点,他们发明这些光点周围的气体正于快速扭转—这证实它们多是由翻滚、灼热的黑洞(即活跃星系核)锚定的小星系。但这一理论也有问题,由于小红点没有显示出活跃黑洞常见的X射线辐射特性。其他被灰尘红化的活跃星系核周围常见的辐射特性也没有呈现于它们身上。质量一样是个难题:该理论要求这些黑洞需要极为重大,但这些黑洞借居的星系比现如今的星河系还有要小100倍摆布。
到2025年末,新的不雅测注解并不是所有的小红点都像最初想象的那样致密。于几个案例中,它们的现实间隔也比天文学家原先估算的更近。事实上,一项要害研究认为,标记年青灼热恒星的巴耳末断裂也能够由其他征象孕育发生。
很多疑难依然未解开:这些小红点毕竟是灰尘洋溢的星暴星系?是被灰尘掩蔽的活跃星系核?还有是某种全新天体?还有是如部门天文学家推测的—它们是上述所有环境的联合?这些谜底中的任何一个均可能具备深远的宇宙意义。奈杜暗示:“这是存于在咱们拍摄图象中的巨年夜谜团,以是让咱们揭开它吧。”
跟着天文学家网络到愈来愈多的小红点样本,很多人最先确信黑洞一定牵扯此中。阿联酋年夜学天体物理学家穆罕默德·拉蒂夫指出:“即便它们是极度致密的恒星形成星系,其内部的恒星碰撞也天然会催生年夜质量黑洞。”
于一项被广泛援用的研究中,北京年夜学科维理天文与天体物理研究所的天体物理学家稻吉恒平计较出,黑洞前方的气体云会孕育发生与“小红点”光旌旗灯号相似的特性。科采夫斯基说:“这基本上抹杀了‘它们是年夜质量星系’的设法。”
2023年2月,哈佛年夜学的安娜·德格拉夫与同事互助提出了一个新的小红点征采规划,名为RUBIES(红色未知物:敞亮红外河外星系巡天)。他们使用JWST近60小时的不雅测时间,不雅测了4500个遥远星系,终极发明约40个小红点。他们发明了一颗名为“绝壁”的奇异天体,由于该天体119亿年前发出的光谱中,巴耳末断裂极为陡峭。
德格拉夫团队绘制了这颗小红点的光谱图,显示其紫外光险些为零,而于能量较低的长波段则呈现突增。德格拉夫暗示,典型星系的辐射强度不克不及实现如许的猛烈改变。并且,邻近宇宙中的黑洞也做不到这一点。相反,这类希奇的“光辐射绝壁”注解,该小红点一定像黑洞同样具备超强能量,但它也一定包裹于温暖致密的气茧中—就像恒星的年夜气层同样。
这些进展引起了米奇·比格尔曼的留意。作为美国科罗拉多年夜学博尔德分校的天体物理学家,比格尔曼早于2006年的一篇理论论文中就预言了这类布局。他称之为“准恒星”,它们可能于灼热的气体云中形成,气体云迅速坍缩并点燃一颗巨年夜的恒星,孕育发生了短期的核聚变。数百万年后,当氢供给耗尽后,焦点就会紧缩、内爆并形成黑洞。
“令咱们惊奇的是,当咱们测验考试推导这一理论时,发明内爆开释的能量不足以吹走包层,”比格尔曼回忆道,“成果你会获得一个黑洞,同时保留99%的恒星包层。黑洞位在中央开释能量,但不是经由过程核聚变的方式。”换句话说,它发光是由于黑洞于吞噬气体,而不是由恒星“熔炉”提供能量。他的理论预言准恒星将很是巨年夜,质量约为太阳的一百万倍。而今朝不雅测到的小红点好像切合这一预期。比格尔曼说:“它们看起来不比是恒星构成的。”但它们也不是平凡的黑洞。
去年7月,奈杜、德格拉夫和其同事认为,小红点恰是很是靠近比格尔曼描写的准恒星的天体:既非纯粹恒星,也非尺度黑洞,但兼具二者的特性。奈杜及德格拉夫一直将此类天体称为“黑洞星”,它们是巨年夜的、敞亮的气态球,其发光能量源自中央黑洞而非核聚变。
“我认为这绝对于是JWST产出的最使人高兴结果,”奈杜说,“我正全力投入这项事情,抛开了其他一切。于天文学中,能碰到一类全新的天体长短常稀有的,我很是确信这就是今朝的环境。”
他及德格拉夫的模子注释了几个小红点的奇异性子,包括它们较着缺乏X射线辐射—这原本是活跃黑洞的“手刺”。他说:“假如你此刻最先把它们看做中央有黑洞的巨年夜恒星,工作就最先对于上号了,你能理解一整套很是奇异的特性。”
德格拉夫暗示,“绝壁”多是一颗黑洞星,别的几个小红点也极有可能属在此类。但她暗示,关在是否所有这些神秘天体都属在这一种别,争辩依然存于。她说:“假如你于街上随意问一个天文学家,我不认为他们会说每一个小红点都是黑洞星,但若你问我的团队,他们又会回覆‘都是’”。
三、缺掉的拼图
一个焦点问题是,黑洞星是否代表了宇宙中黑洞的初期阶段—于它们掉去那层致使红色调的外部气体包层以前的阶段。假如小红点确凿代表了黑洞生命周期中某种希奇的阶段,它们可能有助在解开黑洞的生长之谜。
爱因斯坦的引力理论预言了黑洞,天体物理学家曾经假想它们从巨型恒星的内爆及向内塌缩中降生。宇宙中满盈着看似由此形成的黑洞。但那些位在每一个星系中央、重达数亿甚至数十亿倍太阳质量的超年夜质量黑洞却更难理解。它们必需充足快地发展到足以塑造周围星系的水平,但年夜大都黑洞生长模子都不克不及云云迅速地培养这类庞然巨物。
一些理论学者主意一种名为“直接坍缩黑洞”的新模子。于这类模子中,巨年夜的黑洞“种子”由致密气体云直接生长而来。这片气体云中并未点燃恒星,而是直接降生出了一个超高密度、引力极为重大的黑洞。
比格尔曼认为,黑洞星可能恰是该理论的一种体现情势。他认为:“从理论上讲,咱们可以理解气体堆积并当即坍缩成黑洞的前提,但我小我私家思疑,中间很难防止近似超年夜质量恒星的阶段。”
不管直接坍缩理论是否准确,小红点均可能是超年夜质量黑洞的前身,后者组成了现代星系的焦点。稻吉恒平曾经推理论证这些小红点多是被气体包层包抄的黑洞,认为它是黑洞生长的一个阶段,多是新生黑洞第一次最先吞噬物资的期间。是以,小红点可以说是黑洞的婴儿照。
于去年12月提交的另外一篇论文中,稻吉恒和蔼同事提出,黑洞包层模子(即黑洞星)可以注释小红点奇异的光辐射特性和其数目密度。假如这一框架准确,那末小红点就是超年夜质量黑洞生命初期中一段急促而高效的生持久。
比格尔曼暗示,这既能注释初期宇宙中巨量小红点的存于,也能申明它们此刻的去向。“它们酿成了超年夜质量黑洞,现代星系每一个星系都有一个,以是你需要许多如许的前身。”他注释道。
当理论研究者分享这些不雅点时,不雅测者也陆续提供了更多证据来撑持这些不雅点,并对于现有的主流不雅点提出了质疑。例如,由美国空间千里镜科学研究所的天文学家皮耶路易吉·里纳尔迪结合美国亚利桑那年夜学的研究职员构成的一支团队于去年12月发明了另外一个奇异天体:一个名为“维吉尔”的星系,此中心好像有一个微泛红光的超年夜质量黑洞。
于可见光甚至敞亮的蓝色紫外线下,“维吉尔”看起来是一个平凡的星系,呈现在年夜爆炸后约8亿年。但当用JWST的中红外仪器举行不雅测时,“维吉尔”的光却表示此中存于一个与其范围极不相当的巨型黑洞。
这展现了黑洞及星系发展的新路径。于JWST以前,天文学家曾经假定星系先形成,终极于其焦点呈现超年夜质量黑洞—不管是经由过程直接坍缩还有是其他方式孕育发生。但此刻看来,黑洞多是更早形成的阿谁。
这一发明可能影响人类对于“宇宙平明”的摸索。于年夜爆炸后5000万到1亿年之间的某个期间,宇宙中的第一批恒星才最先点燃,照亮了暗中的宇宙。它们发出的紫外线从头引发了洋溢于宇宙中的中性气体,制止自由氢原子核与电子联合形成中性原子。这类近似宇宙平明的历程被称为“再电离期间”。但天文学家不确定它的发生气希望制。电离光芒是来自年青恒星?还有是来自吞噬温气体及超热气体的贪心黑洞?
“维吉尔”以和其他小红点的故事,注解天文学家一直遗漏了某些主要环节。灰尘掩蔽的黑洞于再电离中饰演的脚色好像比任何人想象的都更要害—只是直到此刻咱们才看到它们,由于它们发出的红光只有强盛的JWST才能不雅察到。里纳尔迪暗示,可能还有有很多如许的庞然年夜物还没有被发明,除了非JWST能举行更永劫间、更深切的不雅测才行。“这让我震动不已经,”他说,“因为缺少深场数据,咱们可能漏掉了一块很是主要的拼图”。
四、时空查询拜访
与此同时,寻觅更多小红点的事情仍于继承。去年7月,亚利桑那年夜学的天文学家称于间隔地球约10亿光年之处发明了三个小红点。这些更近的、素质上年青患上多的红点注解,小红点于宇宙后期也可能呈现。
去年12月,天文学家使用甚年夜阵于射电波段探测到了一个小红点,它离咱们也很近。科采夫斯基说,天文学家正于筛选现有数据集(如斯隆数字巡天),以发明更多近处的小红点。
去年12月宣布的一个稀有案例中,位在某个小红点及咱们之间的一个星系团帮忙天文学家不雅察到了该天体差别时间的快照。这个红点的光被前方的一个星系团放年夜了四次。这类被称为“引力透镜”的效应是爱因斯坦引力理论的另外一个成果。按照北京年夜学张子键带领的研究小组的研究,这个小红点好像于130年间发生了光变。未介入这项研究的里纳尔迪暗示,需要更多深度不雅测来搞清小红点会随时间怎样变化。他提到:“你获取的差别期间的不雅测数据越多,就越能实现某种意义上的‘时空旅行’。”
发明处在差别间隔及时间的小红点,将帮忙天文学家理解它们的演化历程,并确定它们是否能代表黑洞婴儿期、黑洞星布局或者其他征象。
例如,或许小红点形成在扭转很是迟缓的暗物资晕中。不成见的暗物资塑造了宇宙,像晕同样缭绕着星系及星系团。暗物资晕会扭转,天文学家可以经由过程研究气体流动来不雅察到这些扭转。于去年8月发表的一篇论文中,美国哈佛-史密森尼天体物理中央的法比奥·帕库奇和其同事提出,小红点可能形成在扭转极慢的暗物资晕中,这会天然而然地培养极为致密的星系。于近来的案例中,一个小红点被周围八个星系环抱,并嵌入到一个暗物资团块内部。终极,如许的小红点可能会蜕变成类星体—宇宙中最敞亮的天体类型,凡是位在暗物资晕之中。
另外一种理论认为,小红点可能代表了一系列处在差别演化阶段的天体。里纳尔迪,荷兰格罗宁根年夜学的卡琳娜·卡普蒂和他们的同事指出,差别的小红点特性各别,甚至多是彻底差别的事物。于去年10月发表的一篇论文中,该团队论证称,部门小红点拥有活跃黑洞的典型特性,其气体流速高达每一秒数千公里。而另外一些小红点内部则更像是孕育恒星的工场。他们认为,小红点标记性的巴耳末断裂,其成因也许没法用单一理论来注释。卡普蒂说:“我其实不彻底信赖它们属在统一种天体。”
只管年夜大都天文学家坚信小红点是某种情势的黑洞—不管是处在婴儿期、被气体包裹、直接坍缩形成,还有是恒星演化而成的黑洞—但谜团依然重重。去年,数十个研究团队为下一轮JWST不雅测递交了提案。卖力分配千里镜不雅测时间的专家组一直于审核这些申请,并行将宣布入选项目。
当务之急是测定小红点的质量,这将有助在科学家判断它们毕竟是甚么天体,以和它们是否多是多种天体的调集。因为传统的黑洞丈量要领对于这些红点掉效,天文学家亟须开发新的计谋及理论。麻省理工学院的奈杜致力在绘制一张黑洞星的演化图表,近似在天文学中按照亮度及外貌温度描画恒星演化阶段的基石—赫罗图。“只要把握了温度、亮度及外貌参数这几个要害指标,咱们就能洞悉恒星的前世此生。这也恰是咱们需要针对于‘小红点’丈量的指标。”奈杜说。他但愿有朝一日,这些离奇的红斑也能像恒星同样被人类理解。
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