由于光速傳播的延時效應，我們觀測的宇宙實際上是以前的樣子。距離我們越遠的區域，對應著越古老的宇宙（早期宇宙），而與我們臨近的區域，則對應相對年輕的宇宙（近鄰宇宙）。在早期宇宙中，存在一種神秘的“小紅點”天體，與黑洞的演化密切相關。而近鄰宇宙中，有一類和早期宇宙里的年輕星系非常相似的星系，稱作“綠豌豆”。

中國科學院上海天文臺牽頭的國際合作科研團隊發現了7例特殊的“綠豌豆”星系 ，與早期宇宙中存在的“小紅點”特征類似。對這些特殊的“綠豌豆”開展研究，有望揭示“小紅點”的物理本質，并進一步優化黑洞早期演化模型。

01

早期宇宙的“紅色謎點”

何謂“小紅點”？這要從一張照片說起。此前，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）拍攝到宇宙剛誕生幾億年的“嬰兒”照（圖1）。

科學家們從中發現了一些奇怪的“小紅點”。它們形態極端致密，顏色發紅。

分析發現，“小紅點”天體中心可能是超大質量黑洞。從形態與結構上看，“小紅點”又與包含超大質量黑洞的常規星系不一樣

▲圖1：JWST的NIRCam相機發現的早期宇宙（宇宙年齡約6億年-15億年處）里6例“小紅點”天體

在“小紅點”天體中，天文學家只看到了來自黑洞的特征信息，沒有看到更多的來自星系的特征信息。這與此前認為的“黑洞和星系是聯合演化的”不相符。

這意味著黑洞可能先于星系演化。因此，“小紅點”的發現，預示著早期宇宙中，黑洞可能會比預期更快地增長。

02

近鄰宇宙的“綠色矮人”

2009年，斯隆數字巡天（SDSS）面向大眾開放星系動物園（Galaxy Zoo）項目。

在這一項目中，一些天文愛好者發現了一類特殊天體。它們具有很強的r波段輻射且圖像形態致密，像一顆顆綠色的豌豆，因此被稱為“綠豌豆”星系。

“綠豌豆”具有宇宙早期星系相似物理性質、演化階段或觀測特征，可以作為早期星系的對照參考，因此被認為是早期星系在近鄰宇宙中的對應體。

▲圖2：左圖來自宇宙年齡9.6億年處的“小紅點”天體；右圖來自宇宙年齡103億年處的“綠豌豆”星系。圖像尺寸匹配JWST和SDSS的空間分辨能力

觀察發現，部分“綠豌豆”星系中顯示出活動星系核的活動跡象，體現了核區超大質量黑洞活動的特征。因此，系統搜尋研究“綠豌豆”星系能夠幫助天文學家更深入地了解早期星系的形成與演化。

并且，JWST正式運行后釋放的首批光譜也顯示出宇宙嬰兒時期星系的光譜和近鄰宇宙處“綠豌豆”星系的光譜高度相似（圖3）。

▲圖3：JWST首批釋放的早期宇宙（宇宙年齡約6.5億年處）年輕星系的光譜與近鄰宇宙（宇宙年齡約126億年處）“綠豌豆”星系高度相似

03

LAMOST助力發現

“綠豌豆”中的“小紅點”

既然近鄰宇宙的“綠豌豆”星系和早期宇宙里的年輕星系非常相似，那么在近鄰宇宙里是否能發現與早期宇宙“小紅點”天體的相似個體呢？

自2018年起，中國科學院上海天文臺早期宇宙與高紅移星系團組聯合國內外多個科研團隊，利用我國大科學裝置郭守敬望遠鏡（LAMOST），構建了世界最大的“綠豌豆”星系的光譜樣本，并開展了系統性研究工作。

包括搜尋其中的雙活動星系核樣本、系統研究其X射線性質，搜尋其中的中等質量黑洞樣本，以及本次工作的搜尋及研究“小紅點”天體的相似樣本。

此次發現的7個“綠豌豆”星系樣本都有致密形態、V型的紫外-可見光能譜和氫原子寬線特征（圖4），它們在紫外光度、黑洞吸積率、電離狀態、氣相金屬豐度等方面也具有“小紅點”天體的特征。

▲圖4：近鄰宇宙對應體與高紅移“小紅點”天體的光譜及能譜對比（左）以及發射線光譜譜型（右）

這個發現可能表明，早期宇宙并不是唯一能產生“小紅點”天體的地方，而且黑洞可以在宇宙的不同時期“爆發式生長”。

近鄰宇宙更便于科研人員開展深入觀測，通過比較研究揭示“小紅點”天體的物理性質。

總之，無論是宇宙深處的“小紅點”，還是近鄰宇宙的“小綠點”都說明，宇宙可能比人們想象的更精彩！

來源：中國科學院上海天文臺

責任編輯：宋同舟