[비즈한국] 10年前，科学家们在巴勃罗·毕加索的早期作品《蓝色房间》中发现了一幅隐藏的画作。通过红外相机分析，在覆盖帆布的颜料下显现出了一幅男子的肖像。这幅神秘肖像的主角是谁？毕加索为何要画下这幅画，又为何在上面重新绘制了新作品？一系列新的疑问随之产生。
正如红外线能揭示我们所知世界之外隐藏的未知，宇宙探索亦是如此。詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）利用红外线观测宇宙，正在揭示哈勃望远镜时代无法想象的宇宙新秘密。
尤其近期有一项发现令天文学家感到困惑，那就是在宇宙边缘不断被发现的“红色小斑点”（Little Red Dots, LRD）。观察詹姆斯·韦布拍摄的多张观测照片，在明亮的近处恒星和星系之间的漆黑宇宙背景中，总能清晰地看到这些红色小斑点。它们的数量非常多，更令人困惑的是，在我们周围较近的宇宙中却找不到这些斑点。只有当我们通过詹姆斯·韦布望远镜看向极其遥远的宇宙时，它们才会出现。对于这些斑点的真实身份，天文学家们目前尚不清楚。红外线在揭开宇宙隐藏的未知的同时，也向我们抛出了新的问题。
天文学家们此前并未预料到这些红色斑点会隐藏在宇宙的尽头。观测它们并非最初的目的。当时研究人员是为了验证“再电离时期”——即推测在大爆炸后初期宇宙中，随着新恒星和星系的形成，整个宇宙被照亮并被电离的时期——但没想到照片中出现了如此多的红色斑点。
这些天体在红外波段呈现红色的原因，主要有两种可能性。首先，由于距离过于遥远，它们可能经历了由宇宙膨胀引起的极端红移。如果是这样，它们实际上是诞生于大爆炸后仅6亿至7亿年的宇宙极早期原初星系。
然而，导致星系光线变红的原因不仅仅是宇宙膨胀。如果星系含有大量尘埃，它也会显得更红。尘埃在吸收星系发出的绝大部分光线后，会在更长的红外波段重新辐射，从而将星系的光染成红色。尘埃是天文学家在确定星系具体参数时最头疼的“麻烦制造者”，因为根据星系含有的尘埃量不同，星系的亮度以及通过光线推算的星系总质量可能会发生巨大变化。
目前，天文学家正通过詹姆斯·韦布开展两个大型项目来观测再电离时期的宇宙，分别是EIGER（再电离时期发射线星系与星系际气体项目）和FRESCO（首次再电离时期光谱完整观测项目）。到目前为止，观测的天空区域非常狭小。小到什么程度呢？大约相当于伸直手臂后，拇指指甲遮住的面积的二十分之一。用参与该项目的科学家的话说，他们至今“只是用指甲轻轻刮了一下宇宙的边缘”。
这些红色斑点之所以令人惊奇，另一个原因是它们的体积被推测得太小了。根据詹姆斯·韦布照片中红色斑点的尺寸推算，它们的大小不超过500光年，甚至有的仅有100光年左右。这小到无法被称为星系。以我们的银河系为例，其直径就达到了10万光年。然而这些红色斑点比普通星系小了近100到1000倍。它们真的能被称为由数千万乃至数亿颗恒星汇聚而成的“星系”吗？
最近，一些天文学家推测，在这些红色小斑点的中心，可能存在着刚刚开始生长的婴儿期超大质量黑洞。其依据之一是，在红色斑点的光谱中确认到了氢原子高速运动的发射线。星系中心存在黑洞，可以通过周围受强引力束缚、以极高速度运动的气体云间接证实。
含有氢原子的气体云会在特定波段发射光线，其痕迹表现为星系整体光谱中纤细而尖锐的发射线。如果气体云在中心黑洞引力的束缚下高速运动，就会产生多普勒效应，导致发射线的波长偏向更短或更长的一端。运动速度越快，波长偏离的程度就越大，发射线也会变得更宽、更扁平。这是大多数拥有巨大且狂暴黑洞的活动星系所表现出的典型特征。
如果能测量出星系中心运动气体云的速度，就可以推算中心正在生长的超大质量黑洞的质量规模。如果詹姆斯·韦布确认的这些红色斑点确实是包含黑洞的星系，那么其中的黑洞质量应该在太阳质量的数百万倍到数亿倍之间，且显得异常沉重！
然而，这令人非常困惑。这些红色斑点是宇宙仅有6亿到7亿岁时存在的幼年原初星系，即宇宙历史才刚刚过去5%的极早期阶段。在这样的初期宇宙中，星系和其中心的黑洞理应处于刚开始生长的幼年期，质量较小。但詹姆斯·韦布的证据却显示，在宇宙早期就已经存在质量高达太阳数亿倍的重型黑洞。这就好比走进幼儿园，却发现里面挤满了身高2米的壮汉。
更令人惊奇的是将中心黑洞质量与星系总质量进行对比。通常情况下，像我们银河系这类普通规模的星系，中心黑洞所占的比例相对于星系的总恒星质量非常小，仅为千分之一。几乎所有星系都遵循这种比例关系：当星系总质量增加2倍时，其中心黑洞的质量也会增加2倍。
人们原本以为詹姆斯·韦布在早期宇宙中发现的红色斑点也会遵循这一比例，但事实完全相反。这些红色斑点星系的中心黑洞相对于它们的体量来说过于沉重。如果假设它们确实是星系，那么黑洞占据了其推测总质量的30%到40%！
这是一个令人无法理解的巨大质量比。如果把星系比作豆沙馅包子，那么我们周围普通的星系里，豆沙馅的比例其实非常小，几乎全是面团。然而詹姆斯·韦布确认的这些“红色斑点包子”，里面近一半都被豆沙馅填满了。这简直是宇宙中不敢想象的“馅料十足”。这让此前从未见过如此满溢豆沙馅的天文学家们感到“消化不良”。
如果这是事实，可以推测在早期宇宙中，黑洞的生长速度远超我们现在的认知。但这一假设也存在问题。快速生长的星系中心黑洞会向外发射强烈的X射线、伽马射线等高能光线。天文学家利用钱德拉X射线空间望远镜的过往观测结果进行比对，试图验证这些被怀疑在“爆发式生长”的红色斑点星系是否确实发射了强力的高能X射线。然而，没有检测到任何X射线。对于所谓的“快速生长黑洞”来说，它们太安静了。
那么，可以考虑另一种可能性：这些红色斑点可能并非中心拥有巨大黑洞，仅仅是恒星高密度聚集的一种原初星系形态。但这里也有问题。星系中心爆发式生长的黑洞会释放出普通恒星无法比拟的巨大能量，这足以解释詹姆斯·韦布观测到的红色斑点的总能量。但如果假设中心没有黑洞，问题就变得复杂了。
如果要用能量远低于黑洞的恒星来填补红色斑点的所有能量，就需要极大量的恒星。如前所述，红色斑点的体积被推测得极小，仅有100到500光年的规模。结论就是，在比银河系小1000倍的狭小空间里，必须挤满数量堪比银河系的恒星。如果恒星以如此高的密度聚集，那么直接看作它们彼此揉搓并形成巨大黑洞可能更合理。
天文学家们甚至正在考虑这些红色斑点可能是早期宇宙中正在生长的新类星体的婴儿版本。如果是这样，这些斑点可能为银河系天文学领域尚未明确解决的“银河系中心超大质量黑洞的诞生与生长”提供重要线索。因为这可能是实时观测银河系中心巨大黑洞形成过程的现场。同时，还能揭示星系总质量与中心黑洞质量为何能保持相同的比例关系共同生长，即两者共生关系的秘密。有趣的是，詹姆斯·韦布发现的这些红色斑点，对天文学家和大爆炸宇宙论来说，并不是红灯，而是绿灯。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240500504M/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4265
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad55f7
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫和宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，立志成为传播宇宙之美的人。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用引发的演化，并进行讲座、写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的天文台》、《整天想宇宙》、《星，光之科学》等书。