[비즈한국] 隨著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的升空，天文學界出現了一個新的謎團。這就是被稱為“小紅點”（Little Red Dots, LRD）的存在。在韋伯拍攝的所有照片的每一個角落，都能看到模糊但清晰的紅色圓點。它們太遙遠、太小，而且太紅了。LRD通常被發現在宇宙年齡僅為10億年左右的遙遠過去。
它們的體積非常小，甚至有的看起來只有幾百光年那麼大。這些特徵使得我們很難將LRD簡單地視為初期宇宙中的年幼星系。因此，為了解釋這些令人困惑的LRD，天文學家開始提出各種戲劇性的假設。從被濃厚塵埃包裹的活動星系這一相對普遍的假設，到由初期宇宙中巨大氣體團塊瞬間收縮而形成的超大質量原始黑洞，甚至還有觀點提出它們是巨大恆星內部藏有黑洞的“黑洞星”（Black Hole Star）。然而，沒有任何一種假說能完美解釋這一現象。
如果LRD是充滿恆星的星系，那麼其中必須極度密集地聚集了恆星。在僅僅幾百光年的尺度內，要塞入與我們銀河系相當數量的恆星。認為LRD中心存在活躍黑洞的觀點也存疑，因為如果是快速增長的黑洞，理應觀測到的X射線卻並未出現。LRD雖然顏色深紅，但看起來塵埃和X射線都比預想的要少得多。
難以破解LRD真面目的最大原因，在於我們難以準確獲知其中心黑洞的質量。只有明確其中的黑洞到底是超大質量黑洞，還是尚未發育成熟的中等質量黑洞，甚至是否真的存在黑洞，才能瞭解LRD的真實狀態。
在相對較近的星系中，我們可以測量黑洞的質量。觀察星系的光譜，可以看到向兩側發散的寬發射線，這顯示了黑洞周圍氣體物質的轉動速度。透過這一點，可以推算出黑洞的引力和質量。這種方法在近處宇宙中被廣泛應用。但這種關係是否適用於大爆炸後不到10億年的初期宇宙，目前尚不明確。
LRD的光譜與普通的活動星系核（AGN）不同。因此，一些天文學家推測，LRD的發射線可能並非源於高速運動的氣體物質，而是一種由內部電子散射導致的“視錯覺”。也許實際的黑洞並沒有那麼重，周圍的氣體運動也比想象中慢得多，只是由於我們未曾注意的散射效應，導致光譜中的發射線過度展寬，從而可能將中心黑洞的質量高估了多達100倍。
這種誤判會導致對LRD本質的嚴重扭曲。如果事實如此，LRD可能遠比我們想象的要輕盈且平靜。不能排除它們並非藏有巨大原始黑洞的神秘天體，而僅僅是密度略高、密集的恆星團的可能性。
最近，終於有研究嘗試“直接”測量LRD所蘊含的黑洞質量。此次研究並沒有單純依賴光譜中的發射線來估算質量，而是測量了氣體物質在中心實際的運動情況。這一驚人的嘗試發生在Abell 2744-QSO1，即位於被稱為“潘多拉星系團”的Abell 2744背後的遙遠天體。Abell 2744是一個擁有無數星系和暗物質的巨大星系團，它憑藉自身的強大引力彎曲了背景宇宙的光線，充當了天然的巨大透鏡，也就是引力透鏡。
得益於極端且精妙的引力透鏡效應，背後的QSO1呈現出三個虛像。這裡展示的是宇宙僅有7億年時期的景象。引力透鏡將因距離太遠而難以被觀測到的暗淡天體光線放大，使其更加明亮。它不僅將天體的光線向更大範圍擴散、扭曲，還將原本的小圓點拉伸為具有面積和體積的形態。因此，我們得以觀測到極其遙遠的QSO1更清晰的光譜。
透過韋伯的NIRSpec儀器，研究團隊觀測了紅外波段的光譜。重要的是，這裡並非簡單地將QSO1的整體光線混合在一起獲取光譜，而是更加精細地觀測了天體內部不同位置的光譜變化。據此，可以詳細描繪出QSO1中處於不同位置的氣體物質是向我們靠近還是遠離，以及該速度在空間上是如何分佈的。
此次研究特別關注了發射線較窄的Hα線。QSO1的Hα發射線分佈在大約600光年的範圍內。研究確認了從QSO1中心向外圍移動時，氫氣速度的變化規律。也就是說，針對這個遙遠的星系，研究者繪製了一種體現其旋轉速度隨中心向外圍變化而改變的“旋轉曲線”！
如果是由氣體組成的廣闊星團或星系，旋轉曲線在遠離星系中心時會表現得相對平緩，因為中心質量分佈在較大範圍內，我們的銀河系就是如此。相反，如果所有質量幾乎像一個點一樣集中在中心，那麼越遠離中心，速度下降得越快。這實際上與太陽系中行星的公轉速度隨距離增加而顯著下降的規律一致。這種旋轉被稱為開普勒旋轉。
此次觀測結果顯示，QSO1的運動特徵更符合質量集中在中心一點的分佈，而非廣闊星團。也就是說，中心確實存在一個超大質量黑洞的解釋更為自然。經過精細的3D運動分析得出結論，其中心黑洞的質量約為太陽的5000萬倍！這實在太巨大了！我們銀河系中心的“人馬座A*”質量約為太陽的400萬倍，而QSO1所蘊含的黑洞比它重了10倍以上！
這意味著，在宇宙僅7億歲時存在的原始星系，竟蘊含著比輕輕鬆鬆活過百億歲的成熟銀河系還要大的黑洞！這是黑洞質量的“下克上”！一個如此幼小的星系竟擁有比我們重10倍的黑洞，實在令人震驚。這完全背離了以往認為星系隨著演化，其內部黑洞質量也會逐漸增長的預期。
在QSO1中，研究人員還單獨測量了黑洞周圍純恆星的質量。結果即使按最保守的估計，恆星的總質量也不超過太陽的2000萬倍。也就是說，如果QSO1確實是一箇中心存在巨大黑洞、周圍有恆星環繞的天體，那麼中心黑洞的質量竟然比周圍所有恆星的總和還要大兩倍。
這在近處宇宙中是絕無僅有的星系形態。通常星系中心黑洞無論多麼重，相對於星系整體質量而言佔比都極小，一般在千分之一左右。然而QSO1似乎隱藏著一個比所有恆星質量總和還要重的黑洞。這完全超出了我們的常識。
該如何看待這個令人困惑的QSO1？天文學家們將其解釋為“赤裸的”巨大黑洞。通常我們看到的黑洞是埋藏在聚集了數千億、數萬億顆恆星的星系中心。因此，我們往往認為黑洞是先有了星系雛形和塵埃聚集，隨後在中心物質進一步堆積和揉合下才形成的。
但QSO1的存在強烈暗示了完全相反的可能性。這看起來像是黑洞先誕生了，而周圍尚未有足夠多的恆星生長出來。就像是一個剛剛誕生了黑洞的“嬰兒星系”，在還沒穿上由恆星織就的華麗外衣之前的狀態。因此，它可能還未被數千億顆恆星所裝飾，正處於“赤裸”的狀態。
QSO1是否能代表眾多LRD的普遍面貌，還是僅僅是一個偶然發現的特例，目前尚不得而知。如果未來幸運地藉助引力透鏡，我們或許能對更多LRD進行類似的分析。但至少從QSO1來看，將其解釋為不含中心黑洞的高密度星團是極其困難的。QSO1顯示出的氣體運動軌跡，只有在中心極點處聚集了巨大質量時才能被解釋。
然而，QSO1並沒有解開所有謎題。依然存在奇怪之處：如此巨大的黑洞看起來卻非常安靜。對比黑洞在理論上可以多麼激烈地吞噬周圍物質，與當前實際吞噬物質的活躍程度之比，被稱為“愛丁頓比”（Eddington ratio）。目前QSO1的愛丁頓比僅為0.01左右。與其龐大的身軀不符，它進食量僅為理論最大值的百分之一，簡直像是體重驚人的重量級運動員每天只吃幾粒玉米粒。這實際上與休眠狀態無異。
那麼，產生的問題便是：既然吃得這麼少，它是何時長到這麼大的？如果從誕生起一直像現在這樣進食，僅用7億年長到太陽質量的5000萬倍是不可能的。因此，即便現在近乎“絕食”，在極早期的幼年階段，它一定經歷過極其劇烈的暴飲暴食。否則，它必須從一開始就擁有巨大的“種子”。這就引發了所謂的“重種子”（heavy seed）問題。
目前天文學界為解釋初期宇宙的巨大黑洞，主要有兩種假說在博弈。其一是“直接坍縮黑洞”。認為初期宇宙的巨大原始雲團在未形成任何恆星的情況下直接崩塌，一次性形成了巨大黑洞。在這種情況下，可以從最初就製造出太陽質量1萬到100萬倍的種子黑洞。因為黑洞生來就是“巨嬰”，所以在後續成長過程中不需要每天進行暴飲暴食。
但“直接坍縮黑洞”假說也有侷限性。該模型通常需要黑洞周圍存在強烈的紫外線輻射，以便在氣體雲收縮坍縮的過程中，不斷驅散那些試圖形成恆星的小團塊，從而阻礙恆星形成，使中心只留下黑洞。然而在QSO1周圍，並沒有發現那種強烈紫外線源的痕跡。過去本該發生此類作用的劇烈星爆或紫外線爆發的證據並不存在。
比這更具假定性的是“原始黑洞”假說。即在大爆炸剛發生、宇宙尚處於虛無狀態時，透過密度波動直接形成的黑洞。但該假說也不完美。QSO1周圍呈現出幾乎只有氫和氦、極其原始的宇宙化學成分，幾乎沒有重元素。這表明周圍從未因恆星誕生和超新星爆炸而被汙染。這強有力地支援了“黑洞先於恆星（星系）產生”的時間先後順序。
但QSO1蘊含的黑洞質量實在太重了。這超過了一般原始黑洞假說所能解釋的範圍。最終，即便遵循原始黑洞假說，為了解釋太陽質量5000萬倍這一巨型身軀，黑洞在形成之後仍需要經歷快速、劇烈的暴風式增長。
QSO1的發現為此前一直未解的LRD身份提供了重要線索，但也留下了新的謎團。透過韋伯向著大爆炸後宇宙遠古時代的邁進，就像是在宇宙這片巨大的森林裡，終於第一次開始用鏟子挖掘土地。此前我們只是在森林上方俯瞰，欣賞著葉片的美麗，最多也就是觀察一下地表上顯露的部分。
終於，透過韋伯，我們看到了土地中冒出的一點嫩芽。我們開始撥開泥土，邂逅了沉睡在下方的微小紅色種子——LRD。對於只瞭解地面上花草樹木的我們來說，地下的種子是完全嶄新且陌生的。那小小的種子到底是從哪蹦出來的，又是如何長成如此巨大的花木的，確實難以理解。儘管它對我們來說依然陌生且令人困惑，但我們已經將那顆小小的種子種在心中，開始培育宇宙論的新芽了。
參考
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4
https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/staf2109/8607050
https://esawebb.org/news/weic2609/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae4bd0
作者 池雄培（Ji Ung-bae）？熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的志向。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，同時從事演講、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用之用》、《我們生而為天文學家》、《看著宇宙會浮現的奇特問題》等書籍，並翻譯了《我為何殺死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。