[비즈한국] 詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）正在宇宙尽头、大爆炸后的初期，不断发现此前意料之外的惊人景象。其中，令天文学家尤为困惑的发现，莫过于在宇宙最远端发现的那些微小、暗淡且发出红光的斑点。这些斑点被称为“小红点”（Little Red Dots，简称LRD）。据推测，它们可能是大爆炸后宇宙年龄不足10亿年时存在的原始星系或原始黑洞，但其确切身份目前尚无法定论。
有时，一些媒体和博主为了转达天文学界对新发现的兴奋之情，会借用部分调皮天文学家的话，夸大报道称“大爆炸理论本身正受到威胁”。所幸的是，目前尚未出现足以颠覆现有大爆炸理论的发现，但这确实是一个足够迷人且有趣的发现，足以让媒体使用此类措辞。
“小红点”是在詹姆斯·韦布望远镜探索大爆炸初期可能存在的超大质量黑洞过程中被发现的。大爆炸后的初期宇宙相较于现在演化程度较低，当时超新星还未充分爆发。大部分区域仅由纯净的氢和氦构成，由这些物质组成的星系自然也不例外。原始星系理应呈现出氢元素释放出的强烈发射线。
然而，如果原始星系中心自诞生起就存在巨大的黑洞，那么它们应该像现代星系一样，围绕中心黑洞进行快速旋转。在此过程中，星系中部分气体物质会向远离我们的方向移动，而另一半则向我们靠近。观测移动物体的光时，会观察到波长变长或变短的“多普勒效应”。
因此，中心拥有大质量黑洞并快速旋转的星系，其发出的光在光谱上会向波长更长或更短的两侧扩散。光谱中原本尖锐的化学成分发射线，会变得扁平并散布在更宽的波长范围内，这被称为“谱线增宽”。特别是黑洞质量越大，星系旋转越快，光谱的谱线宽度也会越宽。这种特征被称为“宽线”（Broad line）。
此外，詹姆斯·韦布观测的宇宙尽头星系，正伴随宇宙膨胀以远超光速的速度远离我们。这种宇宙膨胀导致星系光发生“红移”，使光向极长的波长偏移。原本星系中的氢气发出的光处于波长较短的紫外线波段，但在飞向地球的漫长岁月里，波长被拉长到了红外线波段。詹姆斯·韦布所看到的那些红色且模糊的斑点，正是经历了这种极端红移的几十亿年前的光。
然而，随着小红点被一个个发现，一个令人困惑的事实浮出水面。起初，天文学家认为这些小红点是来自遥远宇宙尽头、中心蕴含巨大黑洞的光，因宇宙膨胀而拉长了波长。但问题并非如此简单。迄今发现的大多数小红点并没有表现出明显的谱线增宽现象。如果是中心蕴含巨大黑洞的星系，本应展现的特征却不见踪影！其奇怪程度甚至引发了人们关于它们是否根本不是我们所认为的普通星系的讨论。
对此，学界有几种假设。首先，中心超大质量黑洞发出的能量可能过于强大，导致绕黑洞运行的星系中普通恒星和气体的光被遮掩了。或者，作为大爆炸初期星系，它们可能比现在看到的要小得多。此外，它们可能被密度极高的尘埃云所包围，导致星系内部发出的更明亮、更短波长的蓝光被大部分阻挡，从而显得格外红。
天文学家分析了詹姆斯·韦布发现的小红点之一——CANUCS-LRD-z8.6。这是一个红移值约8.6的遥远星系，保留了宇宙年龄仅5.8亿年时的样貌。因此，其金属元素含量极低。该星系虽然微弱，但能明显确认到谱线增宽。据此推算，中心隐藏的黑洞质量似乎超过了太阳质量的千万倍。
我们银河系中心的黑洞质量约为太阳质量的400万倍，这意味着斑点里的黑洞简直“重得过分”。在宇宙年龄不足6亿年的婴儿期原始星系中，竟然存在着比我们拥有100多亿年历史的银河系还要重两倍以上的黑洞！在宇宙刚刚诞生的遥远过去，存在如此巨大的黑洞确实令人难以置信。
黑洞通过强大的引力吸积物质而成长。但即便是黑洞，也无法无限制地吞噬。当周围聚集的物质被加热时，会向黑洞外部释放强大的能量。黑洞吞噬的物质越多，向四面八方释放的能量就越强。如果黑洞吞噬得过于贪婪，向外释放的能量会变得过强，从而阻止其继续吸入物质。
这种黑洞吞噬物质的极限被称为“爱丁顿极限”。在我们的认知中，突破这一极限的“暴风式增长”是不可能的。然而，詹姆斯·韦布照片中的小红点，无疑展示了这种如果不经历暴风式增长就无法解释的“超重量级”原始黑洞的存在。
对此有一种替代解释：在原始黑洞形成时，周围没有产生其他恒星，只孤零零地形成了一个超大质量黑洞。阻止黑洞暴风式增长的因素是周围被吸入的星体和气体云加热产生的能量。因此，如果这种能量没有产生，黑洞或许能以我们认知之外的速度和规模进行“暴饮暴食”。
如果原始宇宙中存在的巨大气体云在没有形成恒星的情况下，直接坍缩并聚合成超大质量黑洞，即发生“直接坍缩”（Direct collapse），那么这种可能性或许存在。如果情况确实如此，那么詹姆斯·韦布望远镜发现的小红点，实际上就是游荡在初期宇宙混沌中、不属于任何星系的“流浪超大质量黑洞”！
媒体经常提到“大爆炸理论受到威胁”，如果用一句话总结詹姆斯·韦布最近的发现及其意义，可以说：“大爆炸后的初期星系和黑洞的增长速度，似乎比此前预想的要快得多。”在詹姆斯·韦布升空前，人类只能回溯到大爆炸后10亿年的宇宙，那时人们认为宇宙自诞生起就按照我们已知的适中速度演化。但通过詹姆斯·韦布窥探到大爆炸后10亿年以内的宇宙后，我们发现了宇宙在幼年时期或许经历了更快速的“生长痛”这一迹象。
事实上，关于初期宇宙黑洞和星系可能经历了更剧烈增长的迹象，早先通过其他巡天观测已得到谨慎探讨。通过绘制全天星系地图的“斯隆数字巡天”（SDSS），天文学家已在20亿至30亿光年外的遥远距离发现了被称为“绿豆星系”（Green pea galaxy）的绿色斑点。由于这些星系氧密度极高且丰富，绿色波长的光显得格外明亮。但由于它们是遥远过去的婴儿星系，体积仅为我们银河系的十分之一。因此在巡天照片中，它们看起来像一颗颗小绿豆。
走出绿豆地，前往更遥远的宇宙，会遇到颜色更暗、更模糊的“蓝莓地”。在照片中，在接近紫色的蓝色短波波段中勉强能看清的、模糊的小斑点被称为“蓝莓星系”（Blueberry galaxy）。从2017年开始的正式巡天观测中，确认的蓝莓星系已超过1500个。推测它们是高密度聚集了明亮、幼小蓝色恒星的星系。它们可能是比现代星系高出10到100倍恒星形成率的“星爆星系”。同样地，因为它们是更遥远宇宙中的婴儿星系，发育未完全，体积仅为银河系的3000分之一。
我们曾以为宇宙中到处都是像向日葵一样圆润硕大的星系。以为越往遥远的过去看，就只会看到尚未长大的、微小的葵花籽。但事实并非如此。当我们向更遥远的宇宙迈出一步时，遇到了意想不到的广阔绿豆地，再迈出一步，又遇到了巨大的蓝莓地。如今，当我们通过詹姆斯·韦布抵达可观测宇宙的边缘时，又遇见了预料之外的巨大红色高粱地。今天我们这片充满璀璨星系的宇宙，正是138亿年前在那片红色高粱地中绽放的花朵。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204983T/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204557L/abstract
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫和宇宙。小时候看过《银河铁道999》后，立志传播宇宙的美。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究星系通过相互作用进行的演化，同时开展讲座、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，光的科学》等书籍。