韦布望远镜观测远古小红点星系，证实黑洞早于星系诞生

IT之家 5 月 31 日消息，詹姆斯・韦布空间望远镜观测到一类被称作“小红点”的远古星系，这或许终于能解答一个谜题：黑洞和它所在的星系，究竟谁先诞生？研究结果出乎科学家的预料，也彻底颠覆了人类对黑洞演化机制的传统认知。美国国家航空航天局詹姆斯 · 韦布空间望远镜的近红外相机拍摄的一张图像展示了小红点阿贝尔 2744-QSO1，它被星系团阿贝尔 2744（潘多拉星团）放大并形成了三重影像“小红点”最早于 2022 年由韦布望远镜发现。天文学家随即意识到，这是一种前所未见的全新天体，或许是一类人类从未观测到的星系。随着研究深入，这类天体的神秘色彩愈发浓厚：它们在宇宙早期十分普遍，但在宇宙大爆炸发生约 15 亿年后，便逐渐销声匿迹。而“小红点”也并非韦布望远镜带给科学界的唯一宇宙谜题。这台造价高达 100 亿美元（IT之家注：现汇率约合 678.67 亿元人民币）的空间望远镜，还发现了大量超大质量黑洞。在宇宙诞生尚不足 10 亿年时，这些黑洞的质量就已达到太阳的数百万乃至数十亿倍。这一现象令学界难以解释：按照以往理论，黑洞要通过吞噬物质、不断合并成长为超大质量黑洞，所需时间远不止 10 亿年。此次针对“小红点”的全新研究提出了一种新观点：早期的超大质量黑洞或许并非由大质量恒星演化数百万年后坍缩形成的恒星级黑洞逐步壮大而来，而是直接诞生的。这也意味着，这类远古超大质量黑洞无需不断吞噬宿主星系中的大量气体与尘埃来增长体量。由此可以推断，黑洞的形成时间早于最终包裹它的星系。英国剑桥大学的研究团队成员罗伯托・迈奥利诺在一份声明中表示：“这是一项重大发现。它颠覆了传统理论，让我们必须重新审视黑洞的形成与演化模型。”该团队的相关研究成果已于 5 月 27 日发表在《自然》期刊与《皇家天文学会月报》上。借助爱因斯坦理论，“小红点”揭开黑洞身世之谜为得出结论，科学家重点研究了编号为阿贝尔 2744 类星体 1（QSO1）的“小红点”。该天体存在于宇宙大爆炸后仅 7 亿年的时期，这个远古星系直径仅有 1300 光年，它发出的光线历经 130 多亿年，才抵达地球。得益于引力透镜效应，QSO1 比其他“小红点”更便于观测研究。引力透镜效应由爱因斯坦在 1915 年率先提出：当一个大质量天体位于地球与更遥远的背景天体之间时，就会产生这一现象。光线途经这个充当“透镜”的大质量天体时，会因时空扭曲发生偏折；光线越靠近该天体，偏折程度就越大。背景天体的光线会以不同时长抵达地面望远镜，同时天体影像也会被放大。QSO1 恰好被星系团阿贝尔 2744（又名潘多拉星系团）产生的引力透镜效应放大。美国国家航空航天局詹姆斯 · 韦布空间望远镜的近红外相机拍摄的图像细节展示了“小红点”阿贝尔 2744-QSO研究人员最初推测，QSO1 本质是一个质量达太阳 4000 万倍的超大质量黑洞，外围包裹着氢、氦气体云。但当时，科学界始终无法精准测定这个黑洞的真实质量。同为剑桥大学的团队成员弗朗切斯科・德欧杰尼奥解释道：“在此之前，人类对早期宇宙黑洞的质量测算全是间接推算，依据的是邻近宇宙中黑洞的现有规律。我们无法确定，这些规律是否同样适用于遥远的早期宇宙。”研究团队提出猜想：如果 QSO1 中心黑洞的质量与最初测算结果一致，那么黑洞的引力必然会影响周围气体的运动轨迹。为此，团队利用韦布望远镜的近红外光谱仪，追踪气体的运动状态。观测发现，这些气体围绕中心点运转，运动规律和太阳系行星绕太阳公转如出一辙，这便是开普勒运动。团队联合负责人、剑桥大学的伊格纳斯・尤奥德扎巴利斯表示：“这一现象足以证明，QSO1 的绝大部分质量都集中在中心黑洞上。如果天体以恒星为主、质量分布相对分散，外围气体就不会呈现出如此标准的开普勒旋转特征。”借助这一发现，团队首次完成了对 QSO1 中心黑洞质量的直接测算。迈奥利诺评价：“这是一项极具突破性的成果。人类首次直接测出宇宙诞生 10 亿年内黑洞的质量，且实测结果与此前间接推算的数据相吻合。”测算结果显示，该超大质量黑洞的质量相当于 5000 万个太阳，其质量占整个“小红点”天体总质量的 66%。这一比例，比邻近宇宙中黑洞与宿主星系的质量比值高出数千倍。这一数据也印证：该黑洞不可能由恒星坍缩形成，也并非依靠不断吞噬周边星系物质慢慢壮大。它自诞生起就是巨型黑洞，而后星系物质才逐渐在其周围聚集、慢慢演化成型。目前，QSO1 中心黑洞仍存有诸多未解之谜，其具体形成机制更是核心疑点。研究团队推测，它可能由一团巨型气体尘埃云坍缩形成的“重黑洞种子”演化而来；也有可能是在宇宙大爆炸的最初阶段，通过某种人类尚未知晓的过程直接诞生。研究团队基本可以确定，在早期宇宙的“小红点”族群中，像 QSO1 这样的天体并非个例。目前，科学家正在观测其他“小红点”，验证它们是否也都拥有巨型黑洞，且星系正处于围绕黑洞逐步形成的阶段。