[비즈한국] 随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的升空，天文学界出现了一个新的谜团。这就是被称为“小红点”（Little Red Dots, LRD）的存在。在韦伯拍摄的所有照片的每一个角落，都能看到模糊但清晰的红色圆点。它们太遥远、太小，而且太红了。LRD通常被发现在宇宙年龄仅为10亿年左右的遥远过去。
它们的体积非常小，甚至有的看起来只有几百光年那么大。这些特征使得我们很难将LRD简单地视为初期宇宙中的年幼星系。因此，为了解释这些令人困惑的LRD，天文学家开始提出各种戏剧性的假设。从被浓厚尘埃包裹的活动星系这一相对普遍的假设，到由初期宇宙中巨大气体团块瞬间收缩而形成的超大质量原始黑洞，甚至还有观点提出它们是巨大恒星内部藏有黑洞的“黑洞星”（Black Hole Star）。然而，没有任何一种假说能完美解释这一现象。
如果LRD是充满恒星的星系，那么其中必须极度密集地聚集了恒星。在仅仅几百光年的尺度内，要塞入与我们银河系相当数量的恒星。认为LRD中心存在活跃黑洞的观点也存疑，因为如果是快速增长的黑洞，理应观测到的X射线却并未出现。LRD虽然颜色深红，但看起来尘埃和X射线都比预想的要少得多。
难以破解LRD真面目的最大原因，在于我们难以准确获知其中心黑洞的质量。只有明确其中的黑洞到底是超大质量黑洞，还是尚未发育成熟的中等质量黑洞，甚至是否真的存在黑洞，才能了解LRD的真实状态。
在相对较近的星系中，我们可以测量黑洞的质量。观察星系的光谱，可以看到向两侧发散的宽发射线，这显示了黑洞周围气体物质的转动速度。通过这一点，可以推算出黑洞的引力和质量。这种方法在近处宇宙中被广泛应用。但这种关系是否适用于大爆炸后不到10亿年的初期宇宙，目前尚不明确。
LRD的光谱与普通的活动星系核（AGN）不同。因此，一些天文学家推测，LRD的发射线可能并非源于高速运动的气体物质，而是一种由内部电子散射导致的“视错觉”。也许实际的黑洞并没有那么重，周围的气体运动也比想象中慢得多，只是由于我们未曾注意的散射效应，导致光谱中的发射线过度展宽，从而可能将中心黑洞的质量高估了多达100倍。
这种误判会导致对LRD本质的严重扭曲。如果事实如此，LRD可能远比我们想象的要轻盈且平静。不能排除它们并非藏有巨大原始黑洞的神秘天体，而仅仅是密度略高、密集的恒星团的可能性。
最近，终于有研究尝试“直接”测量LRD所蕴含的黑洞质量。此次研究并没有单纯依赖光谱中的发射线来估算质量，而是测量了气体物质在中心实际的运动情况。这一惊人的尝试发生在Abell 2744-QSO1，即位于被称为“潘多拉星系团”的Abell 2744背后的遥远天体。Abell 2744是一个拥有无数星系和暗物质的巨大星系团，它凭借自身的强大引力弯曲了背景宇宙的光线，充当了天然的巨大透镜，也就是引力透镜。
得益于极端且精妙的引力透镜效应，背后的QSO1呈现出三个虚像。这里展示的是宇宙仅有7亿年时期的景象。引力透镜将因距离太远而难以被观测到的暗淡天体光线放大，使其更加明亮。它不仅将天体的光线向更大范围扩散、扭曲，还将原本的小圆点拉伸为具有面积和体积的形态。因此，我们得以观测到极其遥远的QSO1更清晰的光谱。
通过韦伯的NIRSpec仪器，研究团队观测了红外波段的光谱。重要的是，这里并非简单地将QSO1的整体光线混合在一起获取光谱，而是更加精细地观测了天体内部不同位置的光谱变化。据此，可以详细描绘出QSO1中处于不同位置的气体物质是向我们靠近还是远离，以及该速度在空间上是如何分布的。
此次研究特别关注了发射线较窄的Hα线。QSO1的Hα发射线分布在大约600光年的范围内。研究确认了从QSO1中心向外围移动时，氢气速度的变化规律。也就是说，针对这个遥远的星系，研究者绘制了一种体现其旋转速度随中心向外围变化而改变的“旋转曲线”！
如果是由气体组成的广阔星团或星系，旋转曲线在远离星系中心时会表现得相对平缓，因为中心质量分布在较大范围内，我们的银河系就是如此。相反，如果所有质量几乎像一个点一样集中在中心，那么越远离中心，速度下降得越快。这实际上与太阳系中行星的公转速度随距离增加而显著下降的规律一致。这种旋转被称为开普勒旋转。
此次观测结果显示，QSO1的运动特征更符合质量集中在中心一点的分布，而非广阔星团。也就是说，中心确实存在一个超大质量黑洞的解释更为自然。经过精细的3D运动分析得出结论，其中心黑洞的质量约为太阳的5000万倍！这实在太巨大了！我们银河系中心的“人马座A*”质量约为太阳的400万倍，而QSO1所蕴含的黑洞比它重了10倍以上！
这意味着，在宇宙仅7亿岁时存在的原始星系，竟蕴含着比轻轻松松活过百亿岁的成熟银河系还要大的黑洞！这是黑洞质量的“下克上”！一个如此幼小的星系竟拥有比我们重10倍的黑洞，实在令人震惊。这完全背离了以往认为星系随着演化，其内部黑洞质量也会逐渐增长的预期。
在QSO1中，研究人员还单独测量了黑洞周围纯恒星的质量。结果即使按最保守的估计，恒星的总质量也不超过太阳的2000万倍。也就是说，如果QSO1确实是一个中心存在巨大黑洞、周围有恒星环绕的天体，那么中心黑洞的质量竟然比周围所有恒星的总和还要大两倍。
这在近处宇宙中是绝无仅有的星系形态。通常星系中心黑洞无论多么重，相对于星系整体质量而言占比都极小，一般在千分之一左右。然而QSO1似乎隐藏着一个比所有恒星质量总和还要重的黑洞。这完全超出了我们的常识。
该如何看待这个令人困惑的QSO1？天文学家们将其解释为“赤裸的”巨大黑洞。通常我们看到的黑洞是埋藏在聚集了数千亿、数万亿颗恒星的星系中心。因此，我们往往认为黑洞是先有了星系雏形和尘埃聚集，随后在中心物质进一步堆积和揉合下才形成的。
但QSO1的存在强烈暗示了完全相反的可能性。这看起来像是黑洞先诞生了，而周围尚未有足够多的恒星生长出来。就像是一个刚刚诞生了黑洞的“婴儿星系”，在还没穿上由恒星织就的华丽外衣之前的状态。因此，它可能还未被数千亿颗恒星所装饰，正处于“赤裸”的状态。
QSO1是否能代表众多LRD的普遍面貌，还是仅仅是一个偶然发现的特例，目前尚不得而知。如果未来幸运地借助引力透镜，我们或许能对更多LRD进行类似的分析。但至少从QSO1来看，将其解释为不含中心黑洞的高密度星团是极其困难的。QSO1显示出的气体运动轨迹，只有在中心极点处聚集了巨大质量时才能被解释。
然而，QSO1并没有解开所有谜题。依然存在奇怪之处：如此巨大的黑洞看起来却非常安静。对比黑洞在理论上可以多么激烈地吞噬周围物质，与当前实际吞噬物质的活跃程度之比，被称为“爱丁顿比”（Eddington ratio）。目前QSO1的爱丁顿比仅为0.01左右。与其庞大的身躯不符，它进食量仅为理论最大值的百分之一，简直像是体重惊人的重量级运动员每天只吃几粒玉米粒。这实际上与休眠状态无异。
那么，产生的问题便是：既然吃得这么少，它是何时长到这么大的？如果从诞生起一直像现在这样进食，仅用7亿年长到太阳质量的5000万倍是不可能的。因此，即便现在近乎“绝食”，在极早期的幼年阶段，它一定经历过极其剧烈的暴饮暴食。否则，它必须从一开始就拥有巨大的“种子”。这就引发了所谓的“重种子”（heavy seed）问题。
目前天文学界为解释初期宇宙的巨大黑洞，主要有两种假说在博弈。其一是“直接坍缩黑洞”。认为初期宇宙的巨大原始云团在未形成任何恒星的情况下直接崩塌，一次性形成了巨大黑洞。在这种情况下，可以从最初就制造出太阳质量1万到100万倍的种子黑洞。因为黑洞生来就是“巨婴”，所以在后续成长过程中不需要每天进行暴饮暴食。
但“直接坍缩黑洞”假说也有局限性。该模型通常需要黑洞周围存在强烈的紫外线辐射，以便在气体云收缩坍缩的过程中，不断驱散那些试图形成恒星的小团块，从而阻碍恒星形成，使中心只留下黑洞。然而在QSO1周围，并没有发现那种强烈紫外线源的痕迹。过去本该发生此类作用的剧烈星爆或紫外线爆发的证据并不存在。
比这更具假定性的是“原始黑洞”假说。即在大爆炸刚发生、宇宙尚处于虚无状态时，通过密度波动直接形成的黑洞。但该假说也不完美。QSO1周围呈现出几乎只有氢和氦、极其原始的宇宙化学成分，几乎没有重元素。这表明周围从未因恒星诞生和超新星爆炸而被污染。这强有力地支持了“黑洞先于恒星（星系）产生”的时间先后顺序。
但QSO1蕴含的黑洞质量实在太重了。这超过了一般原始黑洞假说所能解释的范围。最终，即便遵循原始黑洞假说，为了解释太阳质量5000万倍这一巨型身躯，黑洞在形成之后仍需要经历快速、剧烈的暴风式增长。
QSO1的发现为此前一直未解的LRD身份提供了重要线索，但也留下了新的谜团。通过韦伯向着大爆炸后宇宙远古时代的迈进，就像是在宇宙这片巨大的森林里，终于第一次开始用铲子挖掘土地。此前我们只是在森林上方俯瞰，欣赏着叶片的美丽，最多也就是观察一下地表上显露的部分。
终于，通过韦伯，我们看到了土地中冒出的一点嫩芽。我们开始拨开泥土，邂逅了沉睡在下方的微小红色种子——LRD。对于只了解地面上花草树木的我们来说，地下的种子是完全崭新且陌生的。那小小的种子到底是从哪蹦出来的，又是如何长成如此巨大的花木的，确实难以理解。尽管它对我们来说依然陌生且令人困惑，但我们已经将那颗小小的种子种在心中，开始培育宇宙论的新芽了。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4
https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/staf2109/8607050
https://esawebb.org/news/weic2609/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae4bd0
作者 池雄培（Ji Ung-bae）？热爱猫咪与宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的志向。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，同时从事演讲、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用之用》、《我们生而为天文学家》、《看着宇宙会浮现的奇特问题》等书籍，并翻译了《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。