詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到供養(yǎng)黑洞的小紅點(diǎn)：“這是解決宇宙破裂問題的方法”

宇宙早期真有那么多恒星嗎——誰在供養(yǎng)神秘的黑洞，誰來修補(bǔ)“破裂”的宇宙

“這是解決宇宙破裂問題的方法。”

一副插圖展示太空中的詹姆斯.韋伯望遠(yuǎn)鏡，旁邊是它的觀測目標(biāo)——一些目前所見宇宙中最古老的星系，也即所謂的“小紅點(diǎn)”。

（圖片來源：美國航空航天局，歐洲航天局，加拿大航天局，空間望遠(yuǎn)鏡研究所，戴爾·科切夫斯基（科爾比學(xué)院）/羅伯特.李（使用可畫軟件制作））

天文學(xué)家們可能通過收集一些迄今所見最古老星系中的最大樣本——也就是詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的那些“小紅點(diǎn)”，從而“拯救了宇宙學(xué)”。這項(xiàng)研究背后的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們樣本中的大多數(shù)古老星系——存在于大爆炸后不到15 億年——似乎承載著正在快速進(jìn)食即“吸積”的超大質(zhì)量黑洞。這項(xiàng)研究應(yīng)該會終結(jié)一種說法，即所謂詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)“打破了宇宙學(xué)”。產(chǎn)生這種說法的原因，是詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡探測到了非常明亮的早期星系，而這些星系似乎包含了比之前預(yù)期多得多的在宇宙極早期就存在的恒星。然而，目前這項(xiàng)新研究表明，這些小紅點(diǎn)發(fā)出的光，其實(shí)大部分是由其中心的大量宇宙巨星所產(chǎn)生的湍流引起。

“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的這群新天體讓我們感到困惑。我們并沒有看到紅移較低的類似天體（對應(yīng)較近的距離），這就是為什么我們在詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡之前沒有觀測到它們的原因，”科比學(xué)院的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人戴爾·科切夫斯基在一份聲明中說。

“目前正在進(jìn)行大量工作，試圖確定這些小紅點(diǎn)的性質(zhì)，以及它們的光是否由正在吸積的黑洞所主導(dǎo)。”

詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的紅色

早在 2022 年當(dāng)詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)這些小紅點(diǎn)時(shí)，天文學(xué)家就已經(jīng)知道這些小紅點(diǎn)代表了一種從未見過的新的星系類型。當(dāng)時(shí)使他們感到困惑的是，這些星系在早期宇宙中似乎非常普遍。

正在吞噬的超大質(zhì)量黑洞可能已經(jīng)終結(jié)了宇宙在數(shù)十億年前的“黑暗時(shí)代”

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，黑洞可以抑制恒星的形成

該團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的“宇宙演化早期發(fā)布科學(xué)”、“高級深河外星系調(diào)查”、“下一代深河外星系探索公開”以及 “紅色未知：明亮紅外河外星系調(diào)查”的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)“小紅點(diǎn)”星系大樣本。

（圖片來源：美國航空航天局，歐洲航天局，加拿大航天局，空間望遠(yuǎn)鏡研究所，戴爾·科切夫斯基（科比學(xué)院））

對于這項(xiàng)小紅點(diǎn)研究來說，特別重要的正是來自一個(gè)叫做 “紅寶石”（紅色未知：明亮紅外河外星系調(diào)查）的項(xiàng)目數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)提供證據(jù)顯示，大約 70% 的樣本星系中，存在以每小時(shí) 200 萬英里（每秒 1,000 公里）的速度旋轉(zhuǎn)的氣體。這是一個(gè)明顯的跡象，表明扁平氣體塵埃云的存在，該云被稱為吸積盤。吸積盤為位于一種叫做活躍星系核的中央星系區(qū)域中的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞提供能量。小紅點(diǎn)星系的紅色，部分歸因于一種稱為“紅移”的現(xiàn)象。當(dāng)來自遙遠(yuǎn)星系的光線向地球傳播時(shí)，宇宙的膨脹會拉長光線的波長，同時(shí)降低其頻率，從而產(chǎn)生紅移現(xiàn)象。

一副插圖顯示不同距離光源的紅移，因此也表示光源處于宇宙中的不同時(shí)間。（圖片來源：暗能量探測合作項(xiàng)目）

這會使得光線向電磁波譜的“紅端”移動(dòng)。光線傳播的時(shí)間越長，紅移效應(yīng)就越極端。因此，古老的星系被稱為“高紅移星系”。

在旅行了數(shù)十億年后，光會移動(dòng)到近紅外或紅外波長，而這正是詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡所設(shè)計(jì)的觀測波長。

“對我來說，最令人興奮的是紅移的分布。這些真正紅色的高紅移源，在大爆炸后的某個(gè)時(shí)刻基本上停止存在了，”團(tuán)隊(duì)成員、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究員史蒂芬.芬克爾斯泰因說。 “如果它們正在形成黑洞，我們認(rèn)為其中至少 70% 都是如此。這暗示早期宇宙中存在著一個(gè)不明黑洞生長的時(shí)代。”

得益于超大質(zhì)量黑洞的供養(yǎng)，宇宙學(xué)得以完善

自從詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡開始探測這些古老的小紅點(diǎn)以來，您可能已經(jīng)讀到過一些標(biāo)題，表示“宇宙學(xué)被打破了”。這正是科學(xué)家們一直感到困惑的問題，即這個(gè) 138 億年的宇宙在不超過其當(dāng)前年齡的 12% 時(shí)，其中的早期星系是如何發(fā)展到包含足夠大的恒星群，從而泵出如此多的光。而當(dāng)前這一發(fā)現(xiàn)，則可能有助于解釋這一謎題。

藝術(shù)家描繪的超大質(zhì)量黑洞發(fā)射出高能粒子流。（圖片來源：美國航空航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工學(xué)院）

活躍星系核非常明亮，這是因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞的巨大引力作用（這些黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于數(shù)百萬或數(shù)十億顆太陽），在吸積盤中產(chǎn)生了湍流。因此，這些星系發(fā)出的大部分光線，可能來自于以吸積黑洞為動(dòng)力的活躍星系核，而并不是來自之前以為的所謂恒星。這意味著小紅星系中的恒星數(shù)量不必高得驚人才能解釋它們的亮度。“這真是解決宇宙破裂問題的方法，”團(tuán)隊(duì)成員、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科學(xué)家安東尼·泰勒說。

一幅插圖顯示活躍星系中心的超大質(zhì)量黑洞和活躍星系核的結(jié)構(gòu)（圖片來源：美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心概念圖像實(shí)驗(yàn)室）

然而，這并不意味著關(guān)于小紅點(diǎn)的所有問題都得到了解決。一個(gè)仍然存在的謎題是，在當(dāng)前宇宙中，還沒有發(fā)現(xiàn)類似這些小紅點(diǎn)的紅移較小的星系。一種可能的解釋是，星系是“由內(nèi)而外”生長的，即星系內(nèi)的恒星形成是從其中心蔓延到其外圍。這意味著隨著星系的老化，恒星的超新星死亡在中心吸積超大質(zhì)量黑洞附近沉積的氣體越來越少。從而隨著時(shí)間的推移，活躍星系核被周圍密集的氣體和塵埃遮蔽的程度會降低。隨著黑洞破繭而出，它同時(shí)發(fā)射出強(qiáng)大的等離子體射流，將物質(zhì)推開。這使得星系在藍(lán)色波長中變得更亮，在紅色波長中變得更暗，從而失去小紅點(diǎn)的地位。古老星系在高能 X 射線中顯得很暗的事實(shí)，也支持了活躍星系核被遮蔽是小紅點(diǎn)形成的原因這一觀點(diǎn)。而當(dāng)吸積超大質(zhì)量黑洞靠近在 X 射線中很亮的銀河系時(shí)，情況就不同了。這可能是由于稠密的氣體塵埃云擅長吸收 X 射線，從而阻礙了這種高能光的發(fā)射。因此，如果缺乏從小紅點(diǎn)發(fā)出的X 射線，則可能表明黑洞正被密集的氣體云籠罩著。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在將采取多種途徑，以便更好了解小紅點(diǎn)星系，這包括將檢查他們的中紅外光星系樣本。

對小紅點(diǎn)的更深入觀察，以及精心選擇的后續(xù)觀測，可能有助于最終解開這些具有挑戰(zhàn)性的古老星系之謎。

“總有兩種或更多種潛在的方法來解釋小紅點(diǎn)的混雜特性，”科切夫斯基說。“這要在模型和觀測之間不斷調(diào)整，在二者的契合和沖突間找到一個(gè)平衡。”

該團(tuán)隊(duì)的研究成果于周二（1 月 15 日）在馬里蘭州國家港口舉行的第 245 屆美國天文學(xué)會會議上公布，并已被《天體物理學(xué)雜志》接受發(fā)表。

BY: Robert Lea

FY: Asis Rui（QQ號76545977；QQ昵稱：Asis）

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