[비즈한국] 随着詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）时代的开启，天文学界迎来了一个全新的谜团，那就是“小红点”（LRD, Little Red Dots）。自2024年韦布望远镜正式投入深空观测以来，在宇宙的最边缘捕捉到了无数个红点，这让天文学家们感到困惑。无论是哈勃空间望远镜还是此前的任何地基或空间望远镜，从未观测到过此类天体。这是一种仅通过韦布望远镜的红外观测才能发现的奇异存在。
LRD通常出现在极其遥远的过去，即大爆炸后约6亿至16亿年之间。迄今为止发现的最古老的LRD，记录了132亿年前的模样。尽管目前已经发现了300多个LRD，但天文学家仍不知道它们究竟是什么，各种猜测层出不穷。这些小红点究竟是存在于遥远初期宇宙的原始星系，还是太初时期存在的一颗巨大恒星？甚至连它们到底是恒星还是星系都无法确认。由于难以理解，偶尔会出现一些新闻标题称LRD“威胁到了现有的大爆炸理论”。
然而，最近关于它们身份的一种非常独特的假说出现了。天文学家对著名的LRD天体之一“MoM-BH*-1”进行了分析，并发现了一种前所未有的惊人可能性。或许，最近通过韦布望远镜在宇宙尽头发现的数百个LRD，既不是微小的原始星系，也不是质量庞大的太初恒星。它们可能是一种前所未有的、既非恒星也非星系的全新天体。
LRD呈现出独特的红色。迄今为止发现的LRD绝大多数在红外波段表现出非常均匀的光谱形态。在宇宙中，红色通常意味着天体被巨大的尘埃云所包裹。这是因为尘埃颗粒吸收其他光源释放的光并被加热至微温后，会在红外波段发射出红光。典型代表是遥远宇宙中一类独特的类星体，即被炽热尘埃浓密包裹的星系，天文学家将其简称为“Hot DOG”（炽热尘埃遮蔽星系）。但Hot DOG并不能解释LRD，因为LRD表现出的红光和红外辐射过于强烈，且视直径太小，仅仅将其解释为尘埃密度高的星系是不够的。
大多数LRD含有高浓度的氢，因此在光谱中可以看到氢的特征光谱线——巴耳末系（Balmer series）。然而，许多LRD的巴耳末线并不尖锐，而是呈现出两侧展宽的形态。这意味着LRD所包含的氢云正以极高的速度旋转。在极端情况下，它们似乎以接近每秒1000公里的速度绕着LRD的中心旋转。这是中心存在超大质量黑洞的星系中常见的特征。基于此，天文学家曾提出LRD可能是初期宇宙中较早形成的、拥有超大质量黑洞的原始星系。
但这一点也无法完美解释所有现象。如果处于初期宇宙，新形成的超大质量黑洞应该正处于极其剧烈的活跃阶段，应观测到它们大肆吞噬周围高密度气体云，并沿自转轴喷射出巨大能量的景象。这种星系中心黑洞的极端状态会产生包括红外线、X射线、紫外线在内丰富多样的光谱。然而，迄今为止韦布望远镜捕捉到的绝大多数LRD并未表现出这些特征。因此，很难仅仅将其视为初期宇宙中形成的狂暴黑洞或活动星系核。
此外，许多LRD表现出一种被称为“巴耳末跳跃”（Balmer break）的显著特征。巴耳末跳跃是指恒星或星系光谱在波长短于364.5nm时，亮度如同悬崖般骤降的现象。在由一个质子和一个电子组成的氢原子中，处于能级n=2的电子在吸收波长短于364.5nm的光子后，会跃迁到更高能级或被电离。通常，表面温度较低的年老恒星，其大气中含有大量处于n=2能级的电子。因此，在年老恒星聚集的星系中，由于大量n=2电子吸收光子，很容易观察到光谱在364.5nm处骤降的巴耳末跳跃。
但这一事实反而让LRD更加难以理解。韦布望远镜发现的LRD都生活在宇宙年龄不到10亿年的极早期。按理说，这一时期的星系应当是刚刚开始诞生恒星的原始星系。然而，巴耳末跳跃通常在年老恒星聚集的星系中才能看到。这种矛盾使得LRD看起来像是一群“发育过快”的早熟星系。正因这些棘手的问题，一些媒体曾一度宣称LRD的存在动摇了大爆炸理论的根基。
不过，这次的分析展示了一种能够解释LRD巴耳末跳跃特征的新可能性。事实上，在氢原子中，电子很难长期保持在n=2能级。处于该状态的电子非常不稳定，仅需1-2纳秒就会回落到更稳定、能量更低的n=1能级，并释放出莱曼系（Lyman series）的光。然而，大多数LRD在光谱中表现出明显的巴耳末跳跃，这意味着某种机制一直在强制LRD内部氢原子中的大多数电子保持在n=2能级。
让我们思考一下发生这种情况的极端条件。例如，氢原子的密度过高的情况。在这种高密度气体中，氢原子之间的碰撞变得频繁，电子在试图落回n=1能级时，会再次获得能量跃升至n=2能级。如果氢原子密度极高，导致从n=2回落的频率与重新跃升至n=2的频率保持平衡，那么气体云中保持在n=2状态的电子数量就会持续维持在较高水平。如此一来，即使一颗恒星也没有，气体云自身也能导致n=2状态的电子持续吸收特定波长以下的光，从而在光谱中产生明显的巴耳末跳跃特征。
应用这一假说，可以推导出一个非常有趣的场景：中心有一个超大质量黑洞，它被一团密度极高的氢气包围。这里没有恒星，只有黑洞隐藏在超高密度的浓密气体云核心中。这就像黑洞生活在一个巨大的氢气“蚕茧”中。根据模型，这个包裹着超大质量黑洞的氢气茧的密度，竟相当于普通恒星上层大气的密度！这意味着它不是星系中稀疏的星际物质，而是像恒星大气一样，被高密度原子紧密包围着中心黑洞。
在本次分析中，天文学家通过韦布望远镜的红外光谱观测，分析了LRD之一的MoM-BH*-1。他们证实，当应用这一包裹着黑洞的气体云模型时，实际观测到的光谱得到了完美的解释。一个中心拥有超大质量黑洞、外围被普通恒星大气密度级别的高密度气体云包裹的天体，其气体云半径仅为40个天文单位（AU）。这比我们的太阳系还要小，简直不可思议！它看起来不像原始星系，更像是一个中心藏着超大质量黑洞的“巨型红星”。这是任何已知恒星或星系都无法定义的、前所未有的全新天体。天文学家将其命名为“黑洞星”（Black Hole Star）。
如果用“黑洞星”这一新类别来解释LRD，那么此前LRD面临的最大难题之一——质量看起来过重的问题——也得到了自然解决。天文学家发现，应用新模型后，这些天体所含超大质量黑洞的质量计算结果大幅减轻。其质量减小至太阳质量的10万至1000万倍，比之前估算的值轻了100倍以上。这属于中等质量黑洞的范畴，是宇宙早期阶段刚好形成的黑洞所拥有的合理质量范围。大爆炸后因质量过重而引发的混乱问题随之自然化解。
这篇论文提出的LRD的惊人可能性，为现代天文学的古老谜题——星系与其中心超大质量黑洞之间的联系提供了新线索。天文学家们至今仍在思考：是星系先诞生而后中心黑洞生长，还是黑洞先形成而后周围形成了星系？这是一个天文学界长久以来的“鸡与蛋”难题。
然而，这一新方案提供了线索：在初期宇宙中，极端高密度的气体云凝聚，其中心首先形成的不是恒星，而是中等质量黑洞。当这样形成的“黑洞星”通过相互碰撞增长体积后，便会最终演变成今日所见的超大质量黑洞。在此过程中，周围诞生了普通恒星，从而形成了今日星系的形态。我们终于能够窥见宇宙历史的第一颗纽扣究竟是星系还是黑洞了。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250316596N/abstract
作者池雄培（音译）是？热爱猫咪与宇宙。童年时期因观看《银河铁道999》而梦想着向世人传递宇宙之美。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室从事星系相互作用演化的研究，并开展讲座、撰写专著等多种科学传播活动。著有《暧昧中的天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。