詹姆斯·韦伯发现了“小红点”——它们可能是一种全新的宇宙怪物

The Cliff的近红外光谱/棱镜光谱（RUBIES-UDS-154183），zspec=3.548。图片来源：Anna de Graaff等人

（蜘蛛网eeook.com）据今日科学新闻：詹姆斯·韦伯太空望远镜 （JWST） 的建造是为了比之前的任何仪器都更深入地观察宇宙。其强大的红外相机使天文学家能够瞥见已经传播了数十亿年的光，并承载着宇宙黎明的故事。通过捕捉这种微弱的、拉伸的光，JWST 让我们看到了 120 亿多年前的星系——当时宇宙只是当前年龄的一小部分。

从 JWST 于 2022 年夏天开始发回图像的那一刻起，科学界就震惊了。在宇宙苗圃和古代星系的壮丽景色中，出现了一些意想不到的东西：散布在图像上的微小、强烈的红色点。它们不仅仅是相机或遥远星星的人工制品。这些紧凑、发光的“小红点”代表了一种全新的物体，哈勃以其有限的红外视觉永远无法揭示。

但随着天文学家开始更详细地研究这些点，这个谜团也越来越深。它们看起来不像现有宇宙结构目录中的任何东西。它们是年轻的星系吗？巨大的黑洞？还是更奇怪的东西？

乍一看，天文学家认为这些红点可能是处于婴儿期的星系——在早期宇宙中迅速形成的遥远星团。这与它们的极端距离相吻合：最近的距离约为 120 亿光年，这意味着它们的光在宇宙只有 18 亿年的历史时就开始了它的旅程。

但当研究人员计算这些数字时，有些东西并没有加起来。对于这样一个早期的时代来说，所谓的星系似乎太大了。为了与 JWST 观测到的亮度相匹配，它们需要包含数千亿颗恒星，这些恒星的密度远远超过我们今天在银河系中看到的任何东西。就好像这样一个星系的夜空在燃烧，每一平方度都闪烁着星光。

如果这些点真的是星系，它们将迫使我们改写我们对宇宙演化的理解。为什么这么多恒星会在大爆炸发生后这么快就形成？如果不是星系，那么它们是什么？

另一种解释很快出现：也许这些点根本不是密集的星系，而是活跃的星系核——超大质量黑洞以凶猛的速度消耗物质，周围环绕着白炽气体盘。这些天体可以比整个星系更耀眼，并且经常被厚厚的尘埃云遮挡，这可以解释它们发出深红色的光芒。

然而，这个理论也有问题。经过分析，红点的光谱与已知被尘埃笼罩的活跃黑洞的光谱不符。为它们供电所需的质量似乎高得令人难以置信，而 JWST 检测到的点数量之多表明可能还有其他原因在起作用。

天文学家陷入了一个诱人的困境，在不太符合证据的模型之间左右为难。

认识到解决这个难题的重要性，由马克斯·普朗克天文学研究所的安娜·德·格拉夫领导的国际天文学家团队启动了一个雄心勃勃的项目：红色未知数：明亮的红外河外巡天——红宝石。他们利用 JWST 近 60 小时的宝贵观测时间，收集了 4,500 多个星系的详细光谱，其中包括 35 个神秘的红点。

有一个物体特别引人注目。它于 2024 年 7 月被发现，是迄今为止最极端的例子之一——它的光需要近 120 亿年才能到达地球。该团队将其昵称为悬崖，以其光谱曲线的急剧“下降”命名。这个名字不仅仅是诗意的：它的光谱显示出一个引人注目的巴尔默断裂，这一特征通常表明恒星形成很少的更古老的星系。但在这里，断裂是如此尖锐和不寻常，以至于它违背了所有传统模型。

没有标准的解释——无论是星系还是黑洞——都符合数据。悬崖是新事物。

面对现有模式的失败，德格拉夫和她的同事提出了一个大胆的替代方案。如果这些点既不是普通星系，也不是典型的活跃黑洞，而是某种混合体——他们称之为黑洞星（缩写为 BH*）呢？

这个概念非同寻常。想象一下，一个超大质量黑洞，质量是太阳的数百万倍，位于星系的中心。它周围旋转着一个氢气包层，如此厚，如此湍流，以至于它将黑洞吞没在茧中。黑洞的吸积盘加热这个气体壳层，使其发光的方式让人联想到恒星的大气层——尽管与恒星不同的是，其核心没有核聚变。

艺术家对黑洞恒星的印象（不按比例）。切口揭示了中央黑洞及其周围的吸积盘。使这颗黑洞恒星成为黑洞恒星的是周围的湍流气体包层。这种配置可以解释天文学家在他们称之为“悬崖”的物体中观察到的内容。图片来源：MPIA/HdA/T. Müller/A. de Graaff

这颗“黑洞恒星”会在红外线中发出明亮的光芒，它的光是由其气态外壳的湍流塑造的。至关重要的是，这样的模型自然地再现了悬崖光谱中奇怪的悬崖状巴尔默断裂，这是任何星系或黑洞模型都无法解释的。

如果 BH* 的解释成立，那么悬崖就是一个极端的例子，其中黑洞星主导了物体的亮度。其他小红点可能代表不太极端的情况，我们看到的光是黑洞星和周围星光的混合体。

悬崖的光谱不仅暗示了这种可能性，还挑战我们以不同的方式思考星系和黑洞在早期宇宙中是如何演化的。也许这些奇怪的混合体在过去很常见，它们湍流的外壳推动了黑洞的快速增长。

这尤其令人兴奋，因为 JWST 已经向我们表明，大质量黑洞的存在时间出人意料地早，仅在大爆炸之后的几亿年。黑洞恒星可以提供缺失的机制，使它们能够如此迅速地生长，从而弥合我们对宇宙历史理解的空白。

其影响是深远的。如果黑洞恒星是真实的，它们可能代表了以前对我们隐藏的宇宙演化阶段。它们可能会解释早期宇宙中的星系如何如此迅速地发展中心黑洞，为我们今天看到的星系结构奠定了基础。

该理论还突破了天体物理学的界限。黑洞恒星以前曾被考虑过，但仅限于涉及中等质量黑洞的纯理论工作。看到它们可能出现在 JWST 数据中——并且规模如此极端——表明它们可能不仅仅是一种好奇心。它们可能是星系形成之谜的关键部分。

与任何新发现一样，谨慎至关重要。黑洞星模型仍处于起步阶段——一个概念验证，尚未确定事实。许多问题仍然存在。如此巨大的气体包层是如何在黑洞周围形成并保持稳定的？当黑洞吞噬它们时，它们是如何补充的？它们是否会留下我们可以检测到光谱之外的特征，例如独特的 X 射线或无线电发射？

这些都是未来观测的谜团。De Graaff 的团队已经批准了 JWST 后续计划，目标是悬崖和其他有前途的红点。在接下来的几年里，随着更多光谱的出现，天文学家将能够测试黑洞恒星是否真的存在，或者是否有另一种解释等待发现。

小红点的故事提醒我们为什么要建造像 JWST 这样的望远镜。每次我们更深入地观察宇宙时，我们都会发现挑战我们理解并推动科学向前发展的现象。

当天文学家第一次注意到 JWST 图像中的那些微小的深红色点时，他们无法想象它们可能会揭示一类新的宇宙物体——部分是黑洞，部分是星状茧——重塑了我们对早期宇宙的图景。

无论黑洞恒星是否被证明是答案，悬崖之谜都向我们展示了更深刻的东西：宇宙仍有秘密等待被揭开，每一次发现都让我们更接近理解我们所处的广阔故事。